上海建科建筑设计院有限公司 上海市徐汇区 200032
一、工程概况
本工程位于上海市徐汇区宛平南路75号建科集团园区的科研办公楼新建项目，为地上四层，地下一层的多层建筑，主要檐口高度为23.200米。其中地下室层高6.5米、一层层高7.2（4.2）米、二层层高8米、三四层层高均为4米。地下室主要功能包括：食堂、厨房、设备用房等。一层主要功能为门厅，二层功能为上海建科大构件检测展示中心，三四层功能为办公。效果图详见图1。
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图1科研办公楼效果图
二、结构平面及竖向关系
采用钢框架-中心支撑结构体系，平面及竖向特殊性详见图2—图6。主要结构难点如下：
1. 主要屋面高度接近于高层分界线，平面柱子少，且主要方向均为单跨。
2. 形状为切角L型，平面长度L与最大宽度Bmax比值＞0.8，部分构件为斜交连接。
3. 中间连接部位门厅为通高大开洞，存在19.4米的大跨度钢梁。
4. 存在楼板不连续，标准层极少，仅标高15.150为完整结构层。
5.左右两部分差异大，存在跃层柱，右半部分层高最大相差11m。
三、结构不规则判定
本项目结构为小于24米的多层钢结构，根据《建筑抗震设计规范》及上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013的条文内容，本项目设计涉及的平面不规则项数为3项，竖向不规则项数为1项，属于特别不规则建筑。特别不规则内容汇总详见表1。
表1 特别不规则项数汇总
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图2 结构平面存在单跨 图3 结构平面存在通高大开洞
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图4 结构平面存在大跨度
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图5 结构平面存在楼板不连续 图6结构竖向标高关系图
四、针对不规则性的结构设计思路及相应措施
1. 为尽可能改善本项目的单跨特性，在不影响建筑使用功能的前提下，在楼梯一及楼梯三处自下而上逐层增设钢结构支撑和楼梯框架柱数量，采用钢结构框架-中心支撑的两道防线结构体系，增强结构整体的抗震性能及安全储备。
2. 针对结构的特别不规则特性，由于楼梯处、大开洞、大跨度及楼板不连续处，构件的抗震等级均需提高，故整体钢结构框架抗震计算等级及抗震构造措施等级由原来的四级提高至三级进行计算。
3. 本工程的房屋高度接近于高层分界线，采用《高层民用建筑钢结构技术规程》第6.2.6条内容，以保证钢框架作为最后一道防线的作用。
4. 采用两阶段设计理念。第一阶段：验算结构的位移，构件强度、稳定性及连接强度时，按照多遇地震和荷载基本组合效应，按弹性方法计算。第二阶段：采用多遇地震下弹性时程补充计算，与CQC法计算结果比较，对相关部位的构件内力进行相应调整。采用罕遇地震下多方向的静力推覆分析，进一步核实塑性铰出现的顺序及位置。
5. 确定设防地震下的性能设计目标，保证关键竖向构件（框架钢柱）抗弯不屈服，关键水平构件（通高大开洞门厅处及大跨度钢梁）抗剪弹性。
6. 由于±0.000顶板有三处大开洞，且开洞面积占整个顶板面积约为20%，不具备顶板完全嵌固的条件，采用基础顶面作为嵌固端，并采用±0.000顶板与基础顶面分别作为嵌固端对上部钢结构构件进行强度包络设计。
7. 结构标高4.200右半部分及结构标高11.150，需增加框架梁骨架作为装配式外墙体系的支点，且考虑后期上述两层会增设楼板作为夹层。结合上述两种情况，标高4.200及11.150不作为结构自然层参与模型组装计算，而是按照层间梁模拟真实受力状态，进行整体抗震计算，满足规范中有关侧向刚度、层间受剪承载力，考虑偶然偏心影响下的扭转位移比、最大位移角等指标要求，并与后期夹层模型进行构件强度的包络设计。
8. 取消全楼强制刚性板假定进行整体抗震计算，考虑P-△效应。
9. 增加斜向抗侧力构件方向角度，综合考虑偶然偏心及双向地震，自动计算最不利地震方向的地震作用的包络设计，控制在具有偶然偏心的规定水平力作用下楼层的最大扭转位移比不宜大于1.50。
10.由于结构标高7.150（4.200）X及Y方向最小侧向刚度比虽小于1.0，但大于0.8，按照《建筑抗震设计规范》第3.4.4条要求，对此层的地震剪力乘以1.15的放大系数，对薄弱层部位采取相应的加强措施。
11.采用两种不同的结构分析软件进行整体计算并进行数据结果对比。
12.通过有限元分析计算通高大开洞处和转角部位楼板应力，保证楼板在多遇地震作用下楼板不开裂，设防地震作用下板内钢筋处于不屈服状态。
13.本项目存在多轴线单榀框架（特别是左翼伸出较长），对典型的单榀框架补充单榀平面内的的计算，取单榀计算与空间计算的构件强度包络设计。
14.对于大跨度的钢梁，应计入竖向地震作用影响，复核其挠度。
五、多遇地震结构计算软件及计算内容
本项目主要的结构计算分析软件及计算内容，详见表2
表2 结构计算分析软件及计算内容
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六、多遇地震两种分析软件计算结果汇总
表3 结构计算分析软件及计算内容
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七、结论
1. ETABS 和YJK的分析结果表明，两种程序的计算结果比较接近，第一阶模态和第二阶模态均为平动，扭转模态相对靠后。扭转周期与第一平动周期的之比<0.9。振型参与质量均大于总质量的90％。根据表3数据：层间位移角均<1/250，满足规范要求。结构的位移比虽超过1.20，但扭转位移比均小于1.50。结构楼层刚度均大于相应上一层侧移刚度70%或上三层平均侧移刚度80%的规范要求。层间受剪承载力均大于上一楼层的80%。两种程序计算结构主要指标基本一致，分析结果可靠。
2. 通过有限元分析计算楼板应力，对于通高处门厅大开洞处和转角部位，加强钢梁及钢柱的构造措施，增加混凝土板厚及加大钢筋配筋率，采用双层双向配筋及在应力薄弱部位设置放射筋，确保楼板在多遇地震下混凝土不开裂，在设防地震作用下钢筋不屈服。
3. 选取大跨度所在楼层标高15.150及19.150进行楼板舒适度计算。计算计算结果标明：第一阶的竖向自振频率均大于3HZ，满足规范要求。
4. 选取七条地震波（天然波为5条，人工波为2条）进行多遇地震下弹性时程补充分析，计算结果表明：每条时程曲线计算所得结构底部剪力数值位于振型分解反应谱法计算结果的65％与135%区间范围内，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值位于振型分解反应谱法计算结果的80%与120%区间范围内,满足规范要求。
5. 性能设计目标按照关键竖向构件（框架钢柱）抗弯不屈服，关键水平构件（通高大开洞门厅处及大跨度钢梁）抗剪弹性，确定上述构件的截面尺寸，进行强度稳定计算。
6. 通过罕遇地震下多方向静力（非线性）推覆分析，结果表明：在X 向罕遇地震作用下，最大楼层位移角为1/120；在Y 向罕遇地震作用下，最大楼层位移角为1/137，均小于1/50，满足规范要求；在X及Y向性能点处，结构底层柱基本完好，其余楼层柱部分出现轻微损伤；大部分梁基本完好，少部分梁轻微损伤，结构基本处于弹性状态，满足大震不倒的设防目标。
7. 进行嵌固端分别位于地下室顶板及底板、无夹层模型的抗震与非抗震、有夹层及无夹层情况、单榀与空间框架的强度包络计算设计，确保局部区域乃至整体结构在可能出现的最不利情况下的结构安全。
参 考 文 献
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50011-2010建筑抗震设计规范. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016；
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ99-2015高层民用建筑钢结构技术规程. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015；