西安某办公楼结构超限分析

中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090

1 工程概况

案例工程位于陕西省西安市，为某航天院所办公楼兼食堂，现已竣工并投入使用。该建筑物平面尺寸约为70m×23m，大屋面结构标高为13.2m，底层层高为5.4m，标准层层高为3.9m，总建筑面积为4148.78m2。建筑立面图以及首层平面图如图1、图2所示。

图1 建筑立面图

图2 首层建筑平面图（单位：mm）

该建筑物结构形式采用钢框架-支撑体系，长方向两端沿全高设BRB（屈曲约束）支撑以减小地震作用下结构的扭转效应，并增强中、大震下的结构耗能能力。底层为了跨越原有地下消防水池取消两排柱，形成25.5m左右大跨度，采用大跨转换梁（箱型尺寸为1400mm×450mm×30mm）支承上部结构；为适当减小跨度，两侧增设斜撑（箱型截面为450mm×20mm），如图3所示。顶层有较大错层。

图3 首层转换部位立面图

2 超限情况汇总

该结构存在多项不规则项，根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，不规则项汇总如下：①扭转不规则，位移比值为1.32，大于BRB支撑控制后的位移比值1.2；②楼板不连续，顶层有较大错层；③构件间断，底层抽柱形成转换梁支承上部结构。

该工程虽不属于高层，但所处西安市为设防烈度8度区，且结构整体判断属于特别不规则，为安全起见，进行超限分析，并补充多遇地震下时程分析和静力弹塑性分析。

3 地基基础设计

该工程采用筏板基础+条形基础，局部地下室区域采用筏板基础，埋深约-6.1m，无地下室区域采用条基，基础埋深约-2.45m。根据岩土工程勘察报告，基础持力层主要为自重湿陷性黄土层，湿陷等级为Ⅱ级（中等），采用DDC法（孔内深层强夯法）进行地基处理，消除黄土湿陷性，同时提高地基承载力。设计单桩直径为550mm，梅花形布桩，桩距为900mm，桩长为10m。处理后经承载力检测，实际承载力为280kPa，大于设计取值260kPa，虽余量不大，但满足设计要求。

4 多遇地震下弹性时程分析

采用PKPM软件的PMSAP模块进行多遇地震下弹性时程分析，选取3条地震波，其中1条人工波：RH2TG（人工波）；2条天然波：TH052TG（天然波）和TH092TG（天然波）。根据分析，3条波反应谱在前五阶周期点的地震影响系数平均值与规范谱相比误差均在20%以内（最大为12.8%）；时程分析与反应谱法分析相比，基底剪力为后者的79.1%～96.6%，均处在65%～135%，平均值为后者的88.7%～94.5%，处在80%～120%，选取的地震波满足规范相关要求。

根据分析结果，时程分析楼层剪力变化趋势基本与反应谱法基本一致，并对剪力相较于反应谱法分析结果更大的楼层进行相应的放大调整。

5 楼盖振动舒适度验算结果

对二层大跨度楼盖进行自振舒适度分析，采用Midas Gen软件（上部荷载作为质量施加）分析模型，如图4所示。

图4 大跨度转换区域楼盖振动分析模型

经分析，楼盖一阶竖向自振频率为3.8Hz＞3Hz，满足相关规范要求。同时，采用《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（以下简称《高规》）附录A提供的方法计算得到竖向振动峰值加速度为0.012m/s2＜0.05m/s2，满足相关要求。

6 错层处楼板应力分析

为满足顶层会议厅净高要求，屋面抬高1.5m，形成错层，剩余有效楼板宽度为3.8m，仅为楼板总宽度的20%，屋面层建筑平面如图5所示。由图5可知，该建筑存在较大的楼层错层且有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，故需要进行地震作用下楼板应力分析。

图5 屋面层建筑平面图（单位：mm）

采用PKPM2010软件的PMSAP模块计算，楼板设置为弹性膜，根据分析结果，多遇地震下X、Y方向楼板最大拉应力为522.8kPa，小于混凝土轴心抗拉强度设计值1.43MPa；中震按照楼板内力放大2.8倍的不利估计，最大应力为1.46MPa，小于混凝土轴心抗拉强度标准值2.01MPa。综上，认为地震作用下错层处剩余楼板不会发生破坏，能够保证结构整体性并有效传递内力。由于剩余楼板宽度较小，采用双层双向配筋d8@100予以加强，配筋率为0.42%。

7 中、大震静力弹塑性分析

采用Midas Gen软件分析该工程，计算模型如图6所示。

图6 Midas计算模型

选用目标位移控制方式，初始荷载取重力荷载代表值对应的1.0恒载+0.5活载，在此基础上选择X、Y方向平动模态对结构进行侧向加载，并对目标位移进行控制。塑性铰选用FEMA铰。根据《高规》，选取结构性能目标等级为D级，性能目标要求如表1所示。

表1 结构性能目标

（1）设防烈度地震（中震）下的推覆分析结果。X、Y两方向推覆工况分析结果显示，结构能力谱具有明显的屈服平台，并与中震需求谱存在交点（Y方向未出铰），即中震性能点，中震推覆性能结果如表2所示。X方向中震性能点的各构件塑性铰分布情况如图7～图10所示。

表2 中震推覆性能结果

图7 BRB支撑塑性铰分布情况

图8 普通斜撑塑性铰分布情况

图9 框架柱塑性铰分布情况

图10 框架梁塑性铰分布情况

由图7～图10可知，X方向中震作用下，框架梁、柱及普通斜撑未出现塑性铰，部分BRB支撑进入屈服状态。

（2）罕遇地震（大震）下的推覆分析结果。X、Y两方向推覆工况结果显示，结构能力谱与大震需求谱存在交点，即大震性能点，大震推覆性能结果如表3所示。

表3 大震推覆性能结果

根据分析结果，发现较多框架梁端出现塑性铰，少量框架梁端破坏严重，部分框架柱端出现塑性铰，普通支撑均保持弹性，较多BRB支撑进入屈服状态，悬挑梁均未出现塑性铰；Y方向大震作用下（到达性能点），较多框架梁端出现塑性铰，部分框架柱端出现塑性铰，普通支撑和BRB支撑均保持弹性，悬挑梁均未出现塑性铰；首层大跨度转换部位梁、柱、斜撑均未出现塑性铰。

（3）性能指标复核。静力弹塑性分析结果如表4所示，各项指标均满足《高规》中的D级性能要求。

表4 结构抗震性能设计指标复核

8 结论

（1）结构整体性能满足D级要求，小震、大震层间位移角均满足相关规范要求。

（2）转换梁、转换柱、普通斜撑等关键构件均满足大震不屈服要求。

（3）二层大跨度转换位置楼盖竖向自振频率为3.8Hz，峰值加速度为0.012m/s2，满足舒适度要求。

（4）顶部错层部位楼板应力分析结果满足相关要求，可确保楼板面内的整体性，进而保证可有效传递水平力。