金城会堂结构分析与设计

杨新刚

【摘要】金城会堂由于建筑功能要求，建筑形体存在多项不规则，属于特别不规则结构。详细介绍了其抗震设计、静力弹塑性分析、重要构件的性能化设计。计算结果表明，所选结构体系合理、安全、可靠，各项性能指标均能达到规范要求。性能化设计对关键部位、关键构件进行加强，提高了关键部位、关键构件的抗震性能，满足了性能化设计的要求。

【关键词】：静力弹塑性分析；性能化设计。

1.工程概况：

金城会堂是山东金诚重油化工有限公司文化交流中心，位于淄博地区桓台县马桥镇，南北长72.0米，东西宽42.8米，总建筑面积：5900.00㎡。地上一层，局部三层、四层（层高3.3米），结构高度18.700m，室内外高差0.2米，观众厅屋面采用钢网架，其它屋面为现浇混凝土屋面。

该工程结构设计基准期为50年，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，第二分组，结构阻尼比5%，周期折减系数0.85，建筑场地类别为Ш类，抗震设防类别为乙类，框架、剪力墙抗震等级均为二级，特征周期0.55，基本风压为0.40KN/㎡，基本雪压为0.45 KN/㎡，地基承载力特征值为120Kpa，持力层为第二层土粉质粘土。

2.结构体系：

金城会堂属于空旷房屋和大跨度屋盖建筑，采用框架-剪力墙结构，嵌固端为基础顶，大跨度屋面采用钢网架，其他屋面采用混凝土屋面。

本工程底部加强部位为底部一层，底部加强部位墙厚250mm，观众厅与舞台间剪力墙为300mm厚，上部墙大部分为200mm厚，柱截面尺寸800x800、700x700、600x600；剪力墙分部在楼梯间及舞台、观众厅四周，台口梁截面尺寸500x1500，为了加强整个结构的整体性，设置三道台口梁；由于整体平面的不规则性以及竖向的不规则性，为保证楼层水平地震力的有效传递，楼板加厚为150mm，其配筋采取双层双向；基础采用柱下交叉条形基础，基础计算采用考虑了上部结构刚度影响的弹性地基梁计算模型。

3.弹性计算分析：

1）本工程采用SATWE进行整体弹性计算，同时采用PMSAP进行验算。PMSAP采用与钢网架整体分析，采用多阻尼矩阵，SATWE采用交叉钢梁系模拟网架。采用多广义楼层建模，共分为8个标准层，从SATWE计算得知第二层及第四层为软弱层和薄弱层，这不符合规范要求，需要采用PMSAP进行验算。当楼板高度差异较大时，采用两个标准层分析，主要考虑结构结构计算时“葫芦串模型”简化质点时的误差问题。由于楼板开洞过大，超过楼层面积30%且有效楼板宽度小于典型板宽的50%【1】，故计算配筋时采用弹性膜的计算模型，由于突破了常规层的概念，还应根据实际配筋反算核对楼层的受剪承载力比值。层高较高，墙厚为200mm厚，应对墙体进行稳定性验算【2】。由于采用空间整体计算模型，观众厅与舞台框架存在“偷懒”现象（实际分摊的地震作用很小），为此采用平面模型将其中的大跨度框架单独比较计算（采用PK程序进行单榀框架的承载力验算），并进行包络配筋设计【3】，考虑大震作用下其他构件刚度下降，会导致观众厅与舞台周围的框架柱所受地震力变大，造成不安全。

2）主要计算结果

周期比：T1/T3=0.86

T2/T3=0.90

X向刚重比20.76

Y向刚重比20.08

有效质量系数：X向96.67%

Y向97.08%

剪重比：X向6.20%

Y向5.95%

X向最大层间位移角（X向地震作用下的楼层最大位移）：1/1657

Y向最大层间位移角（Y向地震作用下的楼层最大位移）：1/1516

X向最大位移与层平均位移的比值（X-偶然偏心地震作用规定水平力下的楼层最大位移）：1.17

Y向最大位移与层平均位移的比值（Y-偶然偏心地震作用规定水平力下的楼层最大位移）：1.33

4.静力弹塑性分析：

根据抗震规范规定，对于特别不规则宜进行弹塑性变形验算。本工程主要根据SATWE的配筋结果进行PUSHOVER静力弹塑性分析，由软件自动生成铰信息，选用CQC第一阵型为侧推荷载的形式，根据结构的最大地震力方向及周期的特点，选用0°、90°两个方向进行验算（双向地震作用）。根据计算结果大震下剪力墙能起到抗震第一道防线的作用，少量剪力墙的钢筋屈服。框架部分的塑性铰均出现在梁两端，说明结构的抗震性能良好，大震下能满足大震不倒甚至更高的要求。

5.性能化设计：

按照《建筑抗震设计规范》要求建筑结构采用三水准进行抗震设防，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，本工程整体按照此要求进行了设计。但对于连接舞台与观众厅间的台口梁、柱及剪力墙以及个别过高且无平面外拉结的柱属于结构的关键构件、关键部位，进行了采取加强措施，对这些构件进行性能化设计尤为必要。对于这些构件在软件中进行了中震弹性大震不屈服的设计，按照此要求验算并包络配筋或加强配筋。

结论：

（1） 结构对比计算分析结果表明，各项性能设计指标均满足了规范要求，所选结构体系合理、安全、可靠；

（2） 静力弹塑性分析结构在大震下能满足大震不倒的设计要求，塑形铰的位置合理，设置适量剪力墙使框架起到抗震第二道防線的作用，达到预期的设计目标；

（3） 性能化设计对关键部位、关键构件进行加强，提高了关键部位、关键构件的抗震性能，满足了性能化设计的要求。

参考文献：

【1】 GB50011-2010建筑抗震设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2010.

【2】 JGJ3-2010高层建筑混凝土结构设计规程【S】.北京：中国建筑工业出版社，2010.

【3】 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析【M】.北京：中国建筑工业出版社，2009.