论文部分内容阅读
摘要：本文主要介绍某实际超限多层钢框架结构平面布置，结构体系及超限判定；通过对该钢框架结构计算结果对比分析，并对局部进行相对应的结构加强措施，为以后同类项目的结构设计提供一定的参考依据。
关键词：钢框架结构；超限多层结构；大悬挑；抗震措施
1 工程概况
本项目基地位于上海市虹口区广粤支路和汶水东路交界处。由T1#楼、T2#、T3#楼三幢新建临时建筑，使用年限为五年。本工程总建筑面积5999.39平方米。为戊类铝制标牌生产厂房，生产材料与产品均为不燃物质。
该工程平面外包尺寸约57.0mX44.9m，用抗震缝分成三个独立的结构单元，其中位于北侧及东侧的B、C两个单元平面尺寸均为27.1mx14.6m。首层层高6.5m，二层层高3.05m；屋面标高约9.55m，三个结构单元间在二层设置连廊，通过滑动支座与各单元相连，上部结构为钢框架结构，室内外高差：0.02米。
本工程地上结构为2层建筑，3.5m标高处局部设置夹层，无地下室，房屋高度9.570m，结构体系为钢框架结构，结构布置平面及立面均不规则，轴网尺寸主要为10.5mx10.5m，1层层高6.5m，2层层高3.5m。结构楼板布置采用压型钢板组合楼板，楼板厚度为110mm。楼层结构平面布置图见下图。
基础采用柱下独立基础加基础梁的结构形式，基础持力层为②1层粉质粘土层，埋深2.4米，地基承载力设计值为85KPa。勘探显示本场地可不考虑地震液化影响。
2 结构体系超限判定及应对措施
2.1 超限情况[1～2，6]
（1）扭转不规则。在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移（或层间位移）的最大值与平均值的比值大于为1.35，大于1.2。
（2）楼板不连续。带斜支撑错层且悬挑达5m大悬挑结构，存在较大的楼层错层且悬挑长度大于4m。
（3）侧向刚度不连续。一层侧向刚度小于相邻上一层的刚度比为50.1%小于70%。yjk模型计算中考虑支撑的刚度，支撑所在的楼层刚度明显增大，考虑后，则刚度比计算满足规范要求，有计算失真状况。因此实际支撑为穿层支撑，按照层的概念判别侧向刚度比与结构实际情况不符。于是去掉支撑进行模型计算并依据此结果进行刚度比的判别。
（4）建筑3.5m标高大挑空。模型中不作为一个单独楼层，梁按层间梁建入模型，本条应可与楼板不连续（错层）归并为一条小超限。
（5）楼间连廊。本工程楼与楼之间设置连廊，连廊采用滑动支座，应可不按连体结构考虑。
根据上海市《上海市建筑工程初步（总体）设计文件抗震设防审查管理办法》（沪建管（2015）958号）[3]中的相关条文规定，本工程属于特别不规则多层建筑结构，应进行抗震设防专门研究与论证。
2.2 计算参数
设计所取的主要计算参数如下：
计算模型详见图2、图3。
根据本建筑物使用功能以及重要性，依据规定，抗震设防类别划分为标准设防类（丙类），因本工程为单跨框架结构，框架抗震等级提高一级考虑。
2.3 计算结果及分析[3～4]
设计采用YJK、MIDAS软件进行分析，补充了弹性时程分析，罕遇地震下弹塑性静力推覆分析。计算分析假定上部结构以基础顶为计算嵌固端，采用了扭转耦联的振型分解反应谱法，考虑了单向地震作用下±5%的偶然偏心和双向地震作用的扭转效应。以扭转为主的周期与第一平動为主的周期的比值不大于0.9，楼层层间位移角均小于1/250；最小剪重比均大于1.6%；地震作用的振型质量参与系数均大于90%。以上计算结果表明，建筑结构体系的选择、结构构件的布置基本合适，经进一步完善后可满足抗震设防的要求。
上部结构采用北京盈建科软件股份有限公司开发的YJK建筑结构设计软件（版本号：1.8.3）进行分析及Midas GEN进行计算对比分析。
基本计算假定：
A.嵌固端设于基础顶。
B.地震力计算采用CQC法；
C.振型数取为6；
D.采用刚性楼板模型进行整体模型分析，采用弹性楼板进行结构内力分析及设计；
E.周期折减系数取0.7。
2.3.1地震周期计算结果详见下表2[4]：
2.3.2水平荷载作用下的结构反应详见下表3[4]：
通过上述两种软件计算结果的汇总分析，可以看出两种软件计算的周期、位移、底部总荷载、总倾覆力矩、剪重比等指标均很接近，说明计算分析结果是准确合理的。
沉降分析拟采用北京盈建科软件股份有限公司开发的YJK建筑结构设计软件系统进行分析。共同分析作用下单柱下最大沉降约为56mm，相邻柱基最大沉降差为21mm（<0.002L）。满足要求。
2.4 超限设计加强措施
（1）整体计算分析时考虑活荷载不利布置及斜交抗侧力构件方向的地震作用效应和水平夹角大于15度的最大地震作用方向的地震作用，重力荷载代表值的活荷载组合系数按实取用。采用空间杆件结构模型（MIDAS-GEN）进行整体弹性分析的补充计算。通过合理布置框架柱等竖向构件，适当加大外环梁，减小结构相对偏心，从而减小结构的扭转效应。在计算中计入了扭转影响，考虑了双向地震扭转效应，质量参与系数不小于90%。计算结果表明其扭转情况并不严重，满足规范要求
（2）补充弹性时程分析计算结果，采用的地震波选用现行上海市《建筑抗震设计规程》[1]提供的时程曲线，波的特征周期应与小震匹配，并取与CQC法计算的结果包络进行构件承载力设计。
（3）通过建立Midas-gen模型对错层柱进行细化分析，达到中震不屈服的要求。按照《建筑抗震设计规范》[1]3.4.4条采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力乘以1.15的增大系数进行计算，并按照规范规定进行静力弹塑性变形分析，确保大震不倒。 （4）对钢连廊支座处的连接节点补充设计，如实计算支座处垂直力和水平力。通过内部添加平衡弯矩梁延伸至内部一跨的方法，加强支托钢连廊的边梁的抗扭刚度，荷载计算考虑钢连廊的附加力及其对梁柱轴线产生的偏心力矩，并采用增加此梁截面的方法，计算应力比保持在0.8以内，确保在罕遇地震下的安全性。
（5）设计时采用钢柱脚外包钢筋混凝土的柱墩的线刚度为钢柱线刚度的33倍，使得柱墩线刚度大于上部钢柱线刚度的5倍，且基础梁钢筋穿过柱墩并可靠锚固，加强了柱墩顶部与基础梁的连接。
（6）进行了屋面层弹性楼板的应力分析，在小震下，薄弱部位楼板主拉应力不超过混凝土抗拉强度标准值，中震计入竖向荷载作用下，板内钢筋不屈服。
（7）对大悬臂和大跨度区域楼面进行舒适度验算，施加人行荷载，通过计算在此荷载作用下最大加速度为0.0336m/s2<0.05m/s2，满足办公环境楼盖竖向振动加速度限值要求[5]。
3 结语
根据以上分析，本工程虽然超限，但通过结构的合理布置，计算结果满足现行规范要求。采用了YJK和Midas GEN两个计算程序进行计算（均为空间结构计算模型），并对主要结果进行了对比分析，采用的两种不同力学模型计算结果基本规律一致，计算结果尽管在数值上有一定的差异，但均在工程可接受的范围内。为达到抗震时对整体结构提出的预期性能目标，本工程对薄弱部位进行了加强，确保结构安全。
按照相关国家规范、规程对本工程在地震荷载、风荷载及重力荷载作用下进行细致分析。各项指标基本达到规范要求；在施工图中有针对性的加强构造措施。根据本工程超限情况，有针对性的提出高于规范的设计要求，可作为类似工程的参考借鉴。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范，GB50011-2010（2016年版）[S]2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2016.
[2]上海市建筑抗震设计规程，DGJ08-9-2013.上海：上海市城鄉建设和交通委员会.
[3]上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则：沪建管[2014]954号[M].上海：上海市城乡建设和管理委员会，2014.
[4]盈建科结构计算软件[M].北京：北京盈建科软件股份有限公司 盈建科软件股份有限公司
[5]高层建筑混凝土结构技术规程，JGJ3-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[6]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].2版.上海：同济大学出版社，2009.
（作者单位：上海中森建筑与工程设计顾问有限公司）
关键词：钢框架结构；超限多层结构；大悬挑；抗震措施
1 工程概况
本项目基地位于上海市虹口区广粤支路和汶水东路交界处。由T1#楼、T2#、T3#楼三幢新建临时建筑，使用年限为五年。本工程总建筑面积5999.39平方米。为戊类铝制标牌生产厂房，生产材料与产品均为不燃物质。
该工程平面外包尺寸约57.0mX44.9m，用抗震缝分成三个独立的结构单元，其中位于北侧及东侧的B、C两个单元平面尺寸均为27.1mx14.6m。首层层高6.5m，二层层高3.05m；屋面标高约9.55m，三个结构单元间在二层设置连廊，通过滑动支座与各单元相连，上部结构为钢框架结构，室内外高差：0.02米。
本工程地上结构为2层建筑，3.5m标高处局部设置夹层，无地下室，房屋高度9.570m，结构体系为钢框架结构，结构布置平面及立面均不规则，轴网尺寸主要为10.5mx10.5m，1层层高6.5m，2层层高3.5m。结构楼板布置采用压型钢板组合楼板，楼板厚度为110mm。楼层结构平面布置图见下图。
基础采用柱下独立基础加基础梁的结构形式，基础持力层为②1层粉质粘土层，埋深2.4米，地基承载力设计值为85KPa。勘探显示本场地可不考虑地震液化影响。
2 结构体系超限判定及应对措施
2.1 超限情况[1～2，6]
（1）扭转不规则。在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移（或层间位移）的最大值与平均值的比值大于为1.35，大于1.2。
（2）楼板不连续。带斜支撑错层且悬挑达5m大悬挑结构，存在较大的楼层错层且悬挑长度大于4m。
（3）侧向刚度不连续。一层侧向刚度小于相邻上一层的刚度比为50.1%小于70%。yjk模型计算中考虑支撑的刚度，支撑所在的楼层刚度明显增大，考虑后，则刚度比计算满足规范要求，有计算失真状况。因此实际支撑为穿层支撑，按照层的概念判别侧向刚度比与结构实际情况不符。于是去掉支撑进行模型计算并依据此结果进行刚度比的判别。
（4）建筑3.5m标高大挑空。模型中不作为一个单独楼层，梁按层间梁建入模型，本条应可与楼板不连续（错层）归并为一条小超限。
（5）楼间连廊。本工程楼与楼之间设置连廊，连廊采用滑动支座，应可不按连体结构考虑。
根据上海市《上海市建筑工程初步（总体）设计文件抗震设防审查管理办法》（沪建管（2015）958号）[3]中的相关条文规定，本工程属于特别不规则多层建筑结构，应进行抗震设防专门研究与论证。
2.2 计算参数
设计所取的主要计算参数如下：
计算模型详见图2、图3。
根据本建筑物使用功能以及重要性，依据规定，抗震设防类别划分为标准设防类（丙类），因本工程为单跨框架结构，框架抗震等级提高一级考虑。
2.3 计算结果及分析[3～4]
设计采用YJK、MIDAS软件进行分析，补充了弹性时程分析，罕遇地震下弹塑性静力推覆分析。计算分析假定上部结构以基础顶为计算嵌固端，采用了扭转耦联的振型分解反应谱法，考虑了单向地震作用下±5%的偶然偏心和双向地震作用的扭转效应。以扭转为主的周期与第一平動为主的周期的比值不大于0.9，楼层层间位移角均小于1/250；最小剪重比均大于1.6%；地震作用的振型质量参与系数均大于90%。以上计算结果表明，建筑结构体系的选择、结构构件的布置基本合适，经进一步完善后可满足抗震设防的要求。
上部结构采用北京盈建科软件股份有限公司开发的YJK建筑结构设计软件（版本号：1.8.3）进行分析及Midas GEN进行计算对比分析。
基本计算假定：
A.嵌固端设于基础顶。
B.地震力计算采用CQC法；
C.振型数取为6；
D.采用刚性楼板模型进行整体模型分析，采用弹性楼板进行结构内力分析及设计；
E.周期折减系数取0.7。
2.3.1地震周期计算结果详见下表2[4]：
2.3.2水平荷载作用下的结构反应详见下表3[4]：
通过上述两种软件计算结果的汇总分析，可以看出两种软件计算的周期、位移、底部总荷载、总倾覆力矩、剪重比等指标均很接近，说明计算分析结果是准确合理的。
沉降分析拟采用北京盈建科软件股份有限公司开发的YJK建筑结构设计软件系统进行分析。共同分析作用下单柱下最大沉降约为56mm，相邻柱基最大沉降差为21mm（<0.002L）。满足要求。
2.4 超限设计加强措施
（1）整体计算分析时考虑活荷载不利布置及斜交抗侧力构件方向的地震作用效应和水平夹角大于15度的最大地震作用方向的地震作用，重力荷载代表值的活荷载组合系数按实取用。采用空间杆件结构模型（MIDAS-GEN）进行整体弹性分析的补充计算。通过合理布置框架柱等竖向构件，适当加大外环梁，减小结构相对偏心，从而减小结构的扭转效应。在计算中计入了扭转影响，考虑了双向地震扭转效应，质量参与系数不小于90%。计算结果表明其扭转情况并不严重，满足规范要求
（2）补充弹性时程分析计算结果，采用的地震波选用现行上海市《建筑抗震设计规程》[1]提供的时程曲线，波的特征周期应与小震匹配，并取与CQC法计算的结果包络进行构件承载力设计。
（3）通过建立Midas-gen模型对错层柱进行细化分析，达到中震不屈服的要求。按照《建筑抗震设计规范》[1]3.4.4条采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力乘以1.15的增大系数进行计算，并按照规范规定进行静力弹塑性变形分析，确保大震不倒。 （4）对钢连廊支座处的连接节点补充设计，如实计算支座处垂直力和水平力。通过内部添加平衡弯矩梁延伸至内部一跨的方法，加强支托钢连廊的边梁的抗扭刚度，荷载计算考虑钢连廊的附加力及其对梁柱轴线产生的偏心力矩，并采用增加此梁截面的方法，计算应力比保持在0.8以内，确保在罕遇地震下的安全性。
（5）设计时采用钢柱脚外包钢筋混凝土的柱墩的线刚度为钢柱线刚度的33倍，使得柱墩线刚度大于上部钢柱线刚度的5倍，且基础梁钢筋穿过柱墩并可靠锚固，加强了柱墩顶部与基础梁的连接。
（6）进行了屋面层弹性楼板的应力分析，在小震下，薄弱部位楼板主拉应力不超过混凝土抗拉强度标准值，中震计入竖向荷载作用下，板内钢筋不屈服。
（7）对大悬臂和大跨度区域楼面进行舒适度验算，施加人行荷载，通过计算在此荷载作用下最大加速度为0.0336m/s2<0.05m/s2，满足办公环境楼盖竖向振动加速度限值要求[5]。
3 结语
根据以上分析，本工程虽然超限，但通过结构的合理布置，计算结果满足现行规范要求。采用了YJK和Midas GEN两个计算程序进行计算（均为空间结构计算模型），并对主要结果进行了对比分析，采用的两种不同力学模型计算结果基本规律一致，计算结果尽管在数值上有一定的差异，但均在工程可接受的范围内。为达到抗震时对整体结构提出的预期性能目标，本工程对薄弱部位进行了加强，确保结构安全。
按照相关国家规范、规程对本工程在地震荷载、风荷载及重力荷载作用下进行细致分析。各项指标基本达到规范要求；在施工图中有针对性的加强构造措施。根据本工程超限情况，有针对性的提出高于规范的设计要求，可作为类似工程的参考借鉴。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范，GB50011-2010（2016年版）[S]2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2016.
[2]上海市建筑抗震设计规程，DGJ08-9-2013.上海：上海市城鄉建设和交通委员会.
[3]上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则：沪建管[2014]954号[M].上海：上海市城乡建设和管理委员会，2014.
[4]盈建科结构计算软件[M].北京：北京盈建科软件股份有限公司 盈建科软件股份有限公司
[5]高层建筑混凝土结构技术规程，JGJ3-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[6]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].2版.上海：同济大学出版社，2009.
（作者单位：上海中森建筑与工程设计顾问有限公司）