郭 强
(1.同济大学土木工程学院，上海 200092； 2.上海众谊建筑设计有限公司，上海 200030)
1 工程概况
本项目位于上海市浦东新区。建筑类型为多层框架结构，无地下室，地上部分为一栋5层建筑，其中多功能教室为局部1层。本楼功能主要为教学楼，各层层高均为4.0 m，其中多功能教室层高均为7.0 m，建筑面积约4 116.97 m2,上部结构嵌固在基础顶如图1，图2所示。
本项目结构体系为多层钢筋混凝土框架结构，柱网为7.5 m×9.6 m，平面布置为一字形，安全等级为一级，建筑物长度54 m，设置后浇带，降低混凝土温度收缩应力对结构的不利影响，楼梯间抗震等级提高一级，楼梯采用滑动支座，走廊与楼栋之间设置双柱抗震缝。
其中教学楼区域为5层结构，柱网为7.5 m×9.6 m，层高4.000 m，建筑物长度54 m；多功能教室区域为单层结构，檐口标高7.000 m，主要柱跨为16 m。由于多功能室结构层高跨度较大，采用结构尺寸相对较大。
建筑抗震设防烈度：7度(第二组)，设计基本加速度值为0.10g，特征周期0.9 s，结构阻尼比0.05，场地土类别 Ⅳ 类，多遇地震下水平地震影响系数最大值为0.08，见表1。
表1 结构基本参数
结构材料及其强度指标:混凝土：7.950以下的构件：C35;7.950以上的构件：C30;钢筋：HRB400级：fy=360 mm/m2。
2 结构超限分析
本项目上部结构嵌固在基础顶，上部结构采用钢筋混凝土框架结构体系，由于建筑布置要求，本楼的上部结构存在多项不规则，具体如下：
1)扭转不规则(位移比大于1.2，但小于1.4)。
2)结构平面局部凸出尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%，属于平面凹凸不规则。
3)2层，3层平面立面局部收进的水平向尺寸大于相邻下层的25%，属于侧向刚度不规则。
4)2层多功能教室上空开洞后，有效楼板宽度小于典型楼板宽度的50%，属于楼板局部不连续。
根据以上不规则情况，本工程属于建筑结构平面和竖向均不规则，在初步设计阶段进行抗震设防专项审查，在设计过程中，针对本工程平面和竖向均不规则情况采取针对性的加强措施。
3 抗震加强措施
本项目为特别不规则建筑，拟采取以下措施：
1)整体设计时采用两个不同力学模型的软件(盈建科和PMSAP)进行分析、比较。
2)调整梁、柱结构布置及柱截面尺寸，尽量加高外圈框架梁高度，使其分布均匀、对称，加强结构整体抗扭刚度，改善结构动力特性。
3)使质心与刚心的位置尽量接近，以减小地震作用时的扭转反应。
4)对于平面扭转不规则的加强措施：适当调整计算模型，1层，2层以下部分(带多功能教室)位移比Y向最大1.34。在施工图阶段将适当加强位移比较大柱的抗震措施，如采用型钢混凝土柱、箍筋配筋率增大等，以加强延性及承载力。
5)对于凹凸不规则的加强措施：凹凸变化处梁柱抗震等级提高一级，加强板厚，按弹性板考虑，根据板的受弯、受拉压应力综合进行配筋。
6)对于竖向不规则的加强措施：竖向不规则处梁柱抗震等级提高一级，加强板厚，按弹性板考虑，根据板的受弯、受拉压应力综合进行配筋。错层处框架柱采用型钢混凝土柱，提高构件承载能力，减小构件轴压比，箍筋全长加密，以加强延性及承载力。
7)侧向刚度不规则：调整计算模型，加强一层剪切刚度，避免侧向刚度不规则。
8)楼板不连续：楼板不连续处梁柱抗震等级提高一级，加强板厚，按弹性板考虑，根据板的受弯、受拉压应力综合进行配筋。
4 计算分析及结果
结构小震下的弹性分析
1)主要计算程序：YJK,PMSAP(2010新规范版);编制单位：中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部。
2)主要计算结果如下：a.盈建科计算结果：结构自重(标准层平均质量)：7 603 t(6.35 t/m2);第一振型：周期：0.847 0,方向角：173.21，平动系数：1.00,扭转系数：0.00;第二振型：周期：0.829 6,方向角：83.32，平动系数：0.97,扭转系数：0.03;第三振型：周期：0.675 5,方向角：83.12，平动系数：0.05,扭转系数：0.95;扭转自振周期与第一自振周期比：T扭/T1：0.797 5；地震作用最大方向角：174.624°。最大层间位移角(楼层号)：X向地震：1/576(4层)，Y向地震：1/553(4层);X向风荷载：1/7 779(4层)，Y向风荷载：1/2 483(4层);本层与上一层等效剪切刚度(或上三层等效剪切刚度平均值)之比最小值(楼层号)：1.353 5(2层);最大柱轴压比：0.68。b.PMSAP计算结果：结构自重(标准层平均质量)：7 596 kN(6.34 t/m2);第一振型：周期：0.801 9,方向角：-10.21,平动系数：0.97,扭转系数：0.03;第二振型：周期：0.785 6,方向角：80.25,平动系数：0.94,扭转系数：0.04;第三振型：周期：0.650 3,方向角：88.93，平动系数：0.05,扭转系数：0.95;扭转自振周期与第一自振周期比：T扭/T1：0.810 9;地震作用最大方向角：-7.99°;最大层间位移角(楼层号)；X向地震：1/594(4层)，Y向地震：1/613(4层);X向风荷载：1/7 937(2层)，Y向风荷载：1/2 672(4层)；本层与上一层等效剪切刚度(或上三层等效剪切刚度平均值)之比最小值(楼层号)1.20(2层)；楼层的受剪承载力之比最小值(楼层号)：0.80(2层)；最大柱轴压比：0.70。
根据计算结果的数据表明，YJK和PMSAP两个程序的计算结果总体上是接近的，2号楼结构具有较好的抗侧与抗扭刚度。X，Y方向的振型有效质量参与系数均大于规范要求的0.9要求；扭转周期与第一周期之比小于0.9，能满足规范要求；弹性层间位移角能满足抗震规范要求的地震作用下1/550(框架)的限值；楼层最大水平位移与质心位移之比小于抗震规范中1.5的限值。
3)弹性时程分析：选取两条实际地震波SHW3，SHW7和一条人工地震波SHW2作为输入地震波，地面运动最大加速度取35gal，结构阻尼比取0.05，时间间隔取0.02 s。计算结果表明，它们的基底剪力都满足规范对每条地震波的基底剪力不小于反应谱法的65%，平均基底剪力不小于反应谱法的80%的要求，结构的平均反应在两个方向上均与CQC法的结果较为接近，楼层位移曲线和层间位移角曲线都基本光滑，无刚度突变现象，也无明显薄弱层，见表2。
表2 基底剪力一览表 kN
结构大震下弹塑性变形计算：
选取两条实际地震波TH1TG090，TH2TG090和一条人工地震波RH1TG090作为输入地震波，地面运动最大加速度取220gal，结构阻尼比取0.05，时间间隔取0.02 s，地震波终止计算时间30 s。
根据计算结果，X向底层层间弹塑性位移比为1/90,X向最大层间弹塑性位移比为1/92(二层)；Y向底层层间弹塑性位移比为1/121,Y向最大层间弹塑性位移比为1/90(二层)，均可满足规范要求。
5 结语
我们在概念设计的基础上对本工程进行了结构设计。通过计算分析，我们得到的结论如下：
1)计算结果表明，本楼有比较好的抗震性能，结构设计可以满足现行的规范要求。
2)时程分析的结果表明，尽管结构有竖向不规则现象，但是本楼是结构的下部抗侧刚度大于上部抗侧刚度，所以结构基本无薄弱层现象产生。
3)通过简化弹塑性计算方法, 本楼最大层间位移均满足规范要求。
4)通过计算和分析，本工程所采取的加强措施是合理的。
5)通过小震和大震验算，本工程可以达到规范所要求的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的预期性能目标。
