污水處理廠綜合樓結構抗震超限驗算與措施

張 楨

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

1 概 述

本文工程為上海某污水處理廠工程。該工程中的綜合樓由辦公區域、展示區域、辦公區域三部分構成。綜合樓采用現澆鋼筋混凝土異形柱框架-剪力墻結構；基礎采用樁+ 全現澆鋼筋混凝土條形承臺基礎形式。地下室埋深為2.920 m，綜合樓以地下室頂板面作為嵌固端，頂板厚度均取180 mm?；炷翉姸鹊燃墸篊35，P6。上部結構最大高度約為13.75 m，未超過設防烈度為7 度時的異形柱框架-剪力墻結構的最大適用高度（40 m）；上部混凝土強度等級取C30。該綜合樓為平面、豎向規則性超限多層建筑，設計中考慮空間分析（SATWE 與PMSAP）兩種程序進行驗算分析比較，分析方法為扭轉耦聯的CQC 振型分解反應譜法，同時補充計算多遇地震下的彈性動力時程分析，充分考慮較多振型以充分考慮高階振型的影響。

2 結構超限情況分析

建筑形體及其構件布置的不規則性包括平面不規則和豎向不規則，具體劃分依據《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010）中3.4 節及《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ 149—2017）中相關規定。結構設計時需首先判斷其不規則性，通過分析，該單體的不規則性情況分析見表1。

依照規范，對照該工程進行判斷：

（1）建筑物最大高度約為13.75 m，按抗震設防烈度7 度設計，未超過規范異形柱框架-剪力墻結構的最大適用高度（40 m）。

（2）根據SATWE 計算結果，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層水平位移和層間位移的比值如下：綜合樓中單元（展示區域）1.39，大于1.2，屬于平面不規則結構，但小于《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010） 中不大于1.50 的規定，同時滿足《混凝土異形柱結構技術規程》（JGJ 149—2017）中不大于1.45 的限值。

（3）地下室頂板作為上部結構的嵌固端，局部區域樓板洞口寬度與該層樓板典型寬度比值大于現行規范的限值50%。如綜合樓（A～M 軸樓梯間加南北采光井開洞處）為79.74%，屬平面不規則結構，但樓板的開洞面積與該層樓面面積的比值，綜合樓為18.45%，小于《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010）中規定的30%的要求。

（4）底層至三層局部平面凹進長度：綜合樓左單元（辦公區域）底層至三層4～6/C～E 軸處為40.87%，均大于現行規范限值30%，屬于平面不規則結構。

（5）二層及以上樓板局部區域，樓板有效寬度與該層樓板典型寬度比值的最不利處：綜合樓左單元（辦公區域）二至三層1～6/C～E 軸處為19.23%；綜合樓中單元（展示區域） 二至三層8～14/C～F 軸處為41.36%。均大于現行規范限值50%，屬于平面不規則結構。

（6）三層局部收進的水平向尺寸與下層的比值：綜 合 樓 左 單 元（辦 公 區 域）5～1/7/F～L 軸 處 為35.31%；綜合樓中單元（展示區域）8～9/7/A～C 軸處為32.12%；綜合樓中單元8～14/E～K 軸處為30.42%或40.28%。均大于現行規范限值30%，屬于豎向不規則結構。

表1 單體的不規則性情況分析

（7）第四層小面積樓層，計算中定義為小塔樓，計算過程內力放大系數取1.5。

綜上所述，該綜合樓為平面、豎向規則性超限多層建筑。

3 結構超限計算及對策

綜合樓在結構分析與計算中采取了以下超限對策：

（1）通過樁位的合理布置，使群樁形心盡量和上部結構荷載中心重合，同時控制建筑物中心最大計算沉降量，以減少房屋的不均勻沉降，中心計算值不大于5.0 cm。通過加強地下室剛度，充分提高建筑物調節不均勻沉降差的能力。實際計算中發現綜合樓中心計算沉降量為3.16 cm，符合現行規范要求。

（2）對上部結構單元拼接后，可能造成的平面不規則（如平面凹口大于30%或樓板有效寬度小于50%），通過設置抗震縫使其滿足現行規范要求。

（3）設計中通過空間分析（SATWE 與PMSAP）兩種程序進行驗算分析比較，分析方法為扭轉耦聯的CQC 振型分解反應譜法。同時補充計算多遇地震下的彈性動力時程分析，并選用較多振型以充分考慮高階振型的影響。綜合樓采用整樓和上部各單元模型，進行結構分析和SATWE 包絡配筋。

為使保證率更高，該綜合樓設計中共選用了五組實際記錄和兩組人工模擬時程曲線進行補充計算，彈性動力時程分析所用地震加速度時程的最大值（cm/s2），多遇地震時取35，罕遇地震時取200。計算結果表明：

a. 多組時程波的平均地震影響系數曲線與CQC振型分析反應譜法所用的地震影響系數曲線相比均小于20%的結構主要振型的周期點。

b. 每條時程曲線計算所得結構底部剪力與CQC振型分析反應譜法計算結果相比，均大于65%。

c. 多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值與CQC 振型分析反應譜法計算結果相比，均大于80%。

（4）對扭轉不規則，則增強建筑物周圍剛度，提高結構的抗扭能力；對結構第一、二、三周期中扭轉分量所占比例調整至合理范圍；盡量減少結構質心與剛心之間的偏心，降低結構的扭轉效應，如均勻布置抗側力構件等措施，使位移比控制小于1.45。且結構分析時，充分考慮了雙向地震扭轉效應影響。

該工程中綜合樓兩種空間分析程序（SATWE/PMSAP）位移角及位移比計算結果見表2。

表2 兩種空間分析程序（S ATWE/P MS AP）位移角及位移比計算結果

扭轉周期及平動周期計算結果見表3。

有效質量系數、樓層最小地震剪力系數值計算結果見表4。

該層與相鄰上層的豎向側向剛度比（Ratx1、Raty1）計算結果見表5。

表3 扭轉周期及平動周期計算結果

表4 有效質量系數、樓層最小地震剪力系數值計算結果

分析上述表格中數據可知，SATWE 和PASAP兩種空間分析程序計算所得的結構各項性能指標均滿足現行規范要求。

（5）對傳遞整個地震水平力的重要構件。如地下室頂板及各層樓板連接薄弱處（凹口大于30%、樓板有效寬度小于50%處），采取以下措施：

表5 與相鄰上層的豎向側向剛度比計算結果

a. 地下室頂板作為嵌固端，擬采取的措施如圖1 所示。

圖1 地下室頂板嵌固條件分析圖

原設計頂板嵌固條件分析：

情況1 處：

開洞率：12.28/15.40=79.74%＞50%。

樓板有效寬度：2.420 m。

平面不規則超限。

情況2 處：

開洞率：7.74/15.40=50.26%，接近50%。

樓板有效寬度：8.260 m。

內側樓板寬：1.940 m＜2.0 m。

平面不規則超限。

情況3 處：

開洞率：9.23/15.40=59.93%＞50%。

樓板有效寬度：5.720 m。

平面不規則超限。

整體樓板開洞率：102.91/558.07=18.45%。

在盡量不影響建筑方案和功能的情況下，擬采取的加強措施如下：

情況1 處：

在南側增設結構鋼筋混凝土和樓板，以增加有效樓板寬度，同時確保南側樓板寬度不小于2.0 m。

在建筑物兩側，采光井處（A、C、M 軸），加強縱向剪力墻與山墻連接，以有效傳遞抗震水平剪力。

情況2 處：

在南側增設結構鋼筋混凝土和樓板，以增加有效樓板寬度，同時確保南側樓板寬度不小于2.0 m。

情況3 處：

在南側增設結構鋼筋混凝土和樓板，以增加有效樓板寬度，同時確保南側樓板寬度不小于2.0 m。

b. 增加樓板厚度，地下室頂板厚度取180 mm，上部室內樓板厚度取不小于120 mm，衛生間樓板取不小于100 mm。板內雙層雙向配筋，且單層單向配筋率不小于0.25%。

c. 結構分析時，該范圍或洞口周圍的樓板定義為彈性樓板。

d. 在多遇地震力作用下，控制板內混凝土主拉應力不超過混凝土軸心抗拉強度標準值ftk（經PMSAP彈性樓板分析，樓板的最大主拉應力為829 kN/m2，小于C30 混凝土抗拉強度標準值2010 kN/m2）。

e. 在設防地震力作用下，控制樓板內受力鋼筋不屈服。例如：180 mm 厚地下室頂板，綜合樓在設防地震力作用下，最不利點所需鋼筋面積A1=（0.6934×2.875×180×1000/360）×0.5=498.38（mm2），在恒活作用下所需鋼筋面積A2=360 mm2，即A1+A2=858.38 mm2。實配φ10@90（873 mm2），故可滿足現行規范要求。其余各層驗算結果均可滿足現行規范要求。

（6）加強結構延性設計，嚴格控制墻、柱結構軸壓比，對底層加強部位采取較嚴的抗震措施，如設置一定數量的剪力墻，控制剪力墻承擔的底部地震傾覆彎矩百分比不小于50%，可滿足框架-剪力墻結構要求，以增強結構在地震作用下的抵抗能力。該綜合樓墻、柱最大軸壓比見表6。

表6 綜合樓墻、柱最大軸壓比

綜合樓底部框架柱地震傾覆彎矩百分比見表7。

表7 綜合樓底部框架柱地震傾覆彎矩百分比 單位：%

由上表可知，綜合樓的結構延性設計滿足現行規范要求。

（7）加強樓梯等洞口周圍樓板厚度，配筋采用雙層雙向方法布置，適當加強配筋。適當加強如樓梯柱等樓梯間的豎向構件，并且樓梯間處的框架抗震等級提高一級。

（8）因建筑方案退臺，使三層局部收進水平向尺寸大于下層25%，故結構分析時，該層指定為薄弱層，同時地震剪力乘1.15 放大系數，以提高其抗震能力。

（9）對承擔傳遞梁上立柱或墻的梁和柱定義為水平轉換梁和框支柱。

（10）對非結構構件的分隔墻：

a. 沿長度方向每隔不大于3 m 設構造柱一個，構造柱斷面為200 mm×240 mm，柱配筋4φ12，φ6@200。

b. 沿高度方向每隔500～600 mm 設2φ6 通長拉結筋與主體柱或墻連接，并在1/2 層高處設混凝土水平系梁一道，梁斷面及配筋同構造柱。

c. 當分隔墻懸臂高度大于2.1 m 時，應設框架與主體連接，每隔不小于2 層設平面外的支撐梁一道。

4 結 語

該綜合樓設計過程采用SATWE、PMSAP 兩種程序進行分析計算，補充計算多遇地震下的時程分析，嚴格控制結構各項性能指標滿足要求，同時加強概念設計及抗震構造措施。

從SATWE、PMSAP 的計算結果及時程分析曲線結果來看，結構的層間位移角及位移比、周期、有效質量系數、樓層最小地震剪力系數值、上下層的抗側力結構剪切剛度比等均在合理范圍內，說明結構布置基本合理，計算結果可靠。