某体育中心超限结构设计

周辉

（江苏省建筑设计研究院股份有限公司，南京 210019）

1 引言

因建筑功能需求，盐城市体育中心综合馆存在多项不规则项，属于特别不规则建筑，设计时具有较大的难度。本文对该项目的设计要素进行了研究，包括多遇地震线弹性分析、罕遇地震弹塑性分析、关键构件的性能水准验算以及难点的专项分析，旨在为类似工程的设计施工建设提供参考。

2 工程概况

盐城市体育中心综合馆位于盐城市解放南路体育中心东南角，总建筑面积约58 466.7 m2，地上5层，建筑面积36 266.1 m2；地下1层，建筑面积22 200.3 m2。地下室主要功能为机动车库、食堂及泵房等设备用房；底板面结构标高-6.30 m。1层设置观众门厅、售票厅以及相关配套用房；2～4层为观众厅楼座、多功能厅等；5层为员工宿舍及设备用房。

本结构抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组，场地土类别为Ⅳ类，特征周期0.90 s，抗震设防类别为重点设防类。结构安全等级：主体抗侧力结构为一级；次梁、楼板等其余构件为二级。地基基础设计等级为甲级。结构阻尼比取0.05，周期折减系数为0.8。水平地震影响系数最大值分别为0.08（多遇地震）、0.23（设防地震）、0.50（罕遇地震）。计算时计入竖向地震作用以及双向地震作用下的扭转影响，考虑5%偶然偏心。钢筋采用HRB400热轧钢筋，钢材采用Q355B级。

3 结构布置及超限设计

3.1 结构布置

3.1.1 竖向结构体系

主楼舞台呈品字形布置，主舞台结构高度为28 m，大剧场主体结构楼面尺寸根据建筑外形逐层变化，各层面积差异较大。为提高抗侧刚度，主楼均采用框架剪力墙结构，楼、电梯间以及舞台四周布置剪力墙。裙楼局部单跨柱采用中震弹性进行控制配筋，局部穿层柱进行长细比校核和配筋加强。

3.1.2 楼、屋面水平结构体系

普通楼面采用120 mm厚现浇混凝土板，舞台和观众厅形成一个上下贯通的大空腔，由于多处大开洞导致楼板不连续，四周连接薄弱处采用150 mm厚板。建筑右侧观众大厅屋面采用平面桁架结构，最大跨度为30 m，悬挑为18 m；在桁架下弦设置现浇钢筋混凝土楼板，桁架下弦采用H型钢以便于连接；室外悬挑部分采用直立锁边屋面，悬挑桁架采取预起拱措施以减小悬挑屋面挠度。

3.1.3 观众大厅四周幕墙与结构主体

观众大厅四周采用斜弧形立面的穿孔铝板玻璃幕墙，最大长度超20 m，为了减小龙骨尺寸，将其吊在主体结构封口桁架上，下部支座采用椭圆形孔释放竖向支撑力。由于屋面主桁架均设置在对应斜柱位置，故封口环采用三角空间桁架可将水平力有效传递到四周主桁架上。

3.2 超限设计

本主楼工程有多项不规则项[1]：（1）扭转不规则：X向扭转位移比为1.31，Y向为1.34，均大于1.2；（2）偏心布置：X向偏心率0.31，Y向偏心率0.31，均大于0.15；（3）楼板不连续：2～4层楼板开洞面积均大于30%；（4）局部不规则：主舞台和侧舞台四周均存在穿层柱，南侧存在斜柱。

针对结构的多项不规则，采用结构分析和其他关键点分析措施确保结构安全可靠。

4 结构分析

4.1 结构计算对比分析

结构采用PMSAP以及SAP2000进行对比分析计算，将地下室顶板作为上部结构的嵌固端，前三阶结构振动周期（X+Y平动系数T1～T3）计算结果分别如下：

T1：PMSAP0.625 s（0.99+0.00），SAP2000为0.595（0.89+0.00），差异1.2%；

T2：PMSAP0.562 s（0.00+0.82），SAP2000为0.556（0.03+0.86），差异0.5%；

T3：PMSAP0.525 s（0.02+0.22），SAP2000为0.509（0.05+0.27），差异1.3%；

周期比（Tt/T1，Tt为以扭转为主的第一周期）：PMSAP0.84，SAP2000为0.85。

4.2 多遇地震弹性时程分析

本工程选用5条天然波、2条人工波、自然波每组包括三向水平实测记录，定义峰值最大的方向为主方向，另外两方向为次方向。

分析可得，各时程分析曲线计算所得的结构底部剪力值均大于振型分解反应谱法的65%，前者计算平均值大于后者的80%；除顶层外，不同曲线下各层剪力平均值均小于反应谱分析结果；多条时程曲线分析得出的层间位移角均小于1/800，满足规范要求。

4.3 设防地震作用下分析

为满足结构在设防烈度地震作用下的性能目标，使用PKPM中地震反应谱方法进行弹性计算，针对具体构件的性能化要求进行设计。

4.3.1 底部加强部位墙肢设计

在设防烈度地震作用下，底部剪力墙墙肢出现拉应力。墙肢混凝土抗拉强度标准值ftk=2.64 MPa，不计入钢筋抗拉，各转角墙肢与连梁墙肢均满足验算要求。针对局部拉应力大于ftk的构件，按构造要求配置型钢。

4.3.2 连接薄弱位置楼板应力分析

本工程在2～4层中间舞台形成巨大空洞，在中震弹性作用下分析该区域楼板应力，确保楼面系统在地震作用下变形协调。由计算结果可知，楼板绝大部分应力比均小于0.6 MPa。开洞四周楼板局部加厚至150 mm后，地震作用引起的拉应力较小，不会引起混凝土开裂，能有效传递水平力，因而楼板按构造加强即可。

4.4 罕遇地震作用下的弹塑性分析

4.4.1 计算模型及地震波的选择

为确保在罕遇地震作用下不发生倒塌破坏，本工程进行弹塑性动力计算分析，利用SAUSAGE程序建立主楼模型，弹塑性时程分析地震波采用两条天然波TH063TG065、TH002TG065和一条人工波RH2TG065，以下分别用A、B、C代指。

4.4.2 结果分析

由表1可知，在3组地震波作用下，A波下的结构在X、Y两个主方向基底剪力最大。大震弹塑性时程剪力是小震弹性基底剪力的3.4～4.4倍。综合构件损伤情况及基底剪力对比，说明大震时，连梁等耗能构件消耗能量较多，而结构整体刚度退化不大。

表1 各组地震波结构最大基底剪力

表2给出了各组地震波输入时，结构各主方向弹塑性最大层间位移角的具体数值。可知，在罕遇地震下，结构的最大层间位移角为1/133，满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]要求。

表2 X、Y向各地震波下结构弹塑性最大楼层位移角

5 关键点分析

5.1 楼板舒适度分析

本工程2层与体育馆连接的平台最大跨度超20 m，影院及多功能厅位置存在跨度较大的楼面，楼座的悬挑长度达7 m，故采用Midas Gen对大跨楼面进行舒适度分析。结果表明，楼盖竖向振动频率均大于3 Hz，分别对第一阶、第三阶和池座悬臂最大处进行舒适度分析，在最不利节点处依次施加单人行走、连续行走、跑动3种时程函数，大跨楼面及楼座位置在多人齐步行走激励下的最大加速度分别为0.032 m/s2、0.012 m/s2、0.000 21 m/s2，均满足规范0.15 m/s2的限值[3]。

5.2 超长结构楼板温度应力分析

本工程为超长结构，2层平台位置南北最大长度达150 m，东西最长达130 m；2层以上主楼位置南北长度达110 m，东西最长达80 m。由于盐城市月平均气温最低-8℃，最高37℃，故本项目计算按整体升降温30℃考虑。

可以发现，在降温工况下，2层楼板应力范围在2.5～5 MPa。在升温工况下，屋面层楼板应力范围在2～6 MPa。考虑后期结构升降温时间长，以及后浇带、混凝土徐变等有利影响，混凝土折减系数取0.3。综合考虑温度应力按1.5 MPa考虑。

5.3 钢桁架补充分析

对观众大厅屋面桁架采用SAP2000软件进行补充分析，由于角部桁架悬挑仅20 m，故在角部主桁架两侧设置次桁架来分担悬挑的荷载，以确保桁架受力满足安全及变形要求。由于观众大厅在桁架下弦设置现浇钢筋混凝土板，整体桁架采用平面管桁架结构，为了满足现浇板钢筋锚固要求，桁架下弦采用H型钢。经计算分析，桁架刚度和承载力均满足要求。

6 结语

本节针对盐城体育中心综合馆进行了多遇地震线弹性分析、罕遇地震弹塑性分析、关键构件的性能水准验算以及针对项目难点开展了专项分析。分析结果表明，该结构方案可以基本满足各性能水准目标，结构方案安全可行。主要结论如下：

1）小震弹性分析表明，该结构整体位移指标为地震控制，且在考虑偏心、双向地震工况下，结构的最大层间位移角为1/1825，满足规范要求。

2）PKPM与Midas Gen计算结果十分接近，模型可以较为准确的模拟结构在各种作用下的受力行为。

3）对结构关键部位构件采用性能化设计：结构底部加强部位的框架柱，剪力墙以及体型突变部位相邻上下层墙柱均按预定抗震性能目标设计，关键构件在中震下能满足抗剪弹性、抗弯不屈服；在大震下能满足抗剪截面控制条件。

4）针对项目难点问题，例如，楼面舒适度、中震楼板应力温度应力等专项进行分析验算，综合考虑各种不利工况下结构可能发生的损害，并结合分析结果，进行包络设计以保证安全性。

5）大震弹塑性分析结果表明，结构最大弹塑性层间位移角为1/129，满足规范要求；且在各工况地震波作用下，主要抗侧力构件没有发生严重的破坏，大部分连梁屈服耗能，结构性能满足大震不倒的要求，整体满足强墙柱弱强梁的延性设计要求。