滨江高级中学艺术中心结构分析与设计

滨江高级中学位于仪征滨江新城建安路东侧，国民路北侧，古运河路南侧，江城路西侧。项目用地面积约161341m2，总建筑面积为127530m2。包含教学楼、行政楼、宿舍、食堂、艺术中心、体育运动中心等。其中艺术中心建筑面积为12351m2，地上4层，地下1层，屋盖最高点为23.5m，项目整体效果如图1所示。

图1艺术中心效果

艺术中心地下1层为非机动车库，地上1~3层为观众厅，3层、4层设有排练室、办公室等功能，艺术中心典型剖面如图2所示。艺术中心下部结构采用钢筋混凝土框架结构，屋盖采用钢网架结构。

图2艺术中心典型剖面示意

1主要计算参数

滨江中学艺术中心的设计使用年限为50年。根据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）本工程抗震设防烈度为7度（0.15g），设

计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期取0.45s。抗震设防分类为重点设防类，重要性系数为1.1。

根据中震防发〔2009〕49号文，小震地震动峰值加速提高至0.20g，框架结构抗震等级为二级。设计基本风压为0.40kN/m2，基本雪压为0.35kN/m2，网架屋面基本雪压为0.40kN/m2（百年一遇）。

根据江苏时代建筑设计有限公司提供的《滨江新城校舍工程岩土工程勘察报告》，采用桩承台基础，选用500mm直径管桩，桩长29m，单桩抗压承载力特征值为1300kN，以6号粉细砂为桩端持力层。

2结构体系

艺术中心上部结构采用现浇钢筋混凝土框架结构。框架柱的混凝土强度等级为C35~C40，框架梁板的混凝土强度等级为C30~C35；主要的框架柱截面为600mm×600mm，700mm×700mm，800mm×800mm的方柱；混凝土框架梁的主要截面为300mm×800mm和350mm×800mm；2层斜向悬挑看台采用钢骨混凝土框架梁和柱，混凝土梁截面为600mm×1400mm，梁顶标高随看台坡度。

观众厅上部采用正放四角锥网架，作为屋面，承担雨雪荷载及观众厅吊顶荷载，并满足声学及灯光等建筑使用要求。网架平面尺寸为28.4m×30.4m，网格尺寸为3.6m×3.6m~3.6m×4.0m，网架最大高度为2.4m，材质为Q235B。网架结构支承在混凝土柱顶，采用弹性球铰支座。

3结构超限情况和主要加强措施

因艺术中心建筑功能需要，2层、3层、4层很多空间不能设楼层板，开洞面积超过30%，楼板大面积不连续给结构传递水平力及抗震性能带来了不利的影响；6.6m标高处的看台与2层、3层形成错层，错层高度大于梁高；看台梁跨度较大（28.4m）且此框架梁不连续；同时，在2层北侧舞台外墙边梁，仅靠一根梁连接左右两侧结构；2层舞台处框架柱x向没有框架梁支撑形成穿层柱等。典型平面示意如图3和图4所示。

图3 2层结构平面示意

图4 3层结构平面示意

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》和《抗规》进行规则性判别，本单体不规则类别主要存在如下3点：（1）扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2；（2）楼板不连续：很多楼板开洞面积超过30%，有效宽度小于50%；（3）刚心和质心偏距大于0.15；其他还有穿层柱、错层柱、局部弱连接等不规则情况。 根据本工程特点，参照《抗规》和《高层建筑混凝土结构技术规程》（简称《高规》）规定，结构抗震性能目标定为C级，关键构件性能目标见表1。

表1关键构件的抗震性能目标

针对不规则情况，采取以下针对性的加强措施。

（1）小震作用下，地震剪力取振型反应谱法计算结果与弹性时程分析计算结果包络值进行结构 设计。

（2）针对楼板上有很多洞口，连接部分很薄弱，楼板定义弹性板以考虑其他构件承受水平力的影响；对大洞口周边楼板按中震不屈服进行设计，相关楼板加厚，楼板钢筋双层双向拉通，加强配筋。

（3）根据抗震审查意见，2层看台处大跨梁冗余度偏低，改为增加悬挑梁受力。框架柱内的型钢向下延伸至基础，看台悬挑梁内的型钢延伸至相邻柱跨内1/4跨；并考虑型钢在混凝土构件内钢筋的锚固及排布方便等要求。

（4）针对悬挑看台，计算时考虑竖向地震作用，悬挑结构相邻的梁柱抗震等级提高一级，并考虑竖向地震。框架梁柱按正截面中震不屈服，斜截面中震弹性进行设计；补充此处单榀框架的计算复核，单榀内力包络图如图5所示。此处大悬挑结构，混凝土强度须达到100?%方可拆除模板。

图5单榀弯矩包络示意

2层北侧舞台外墙处仅靠单根边梁连接左右结构，对抗震极为不利；经与建筑专业沟通，在保证建筑净高的基础上，在此处增加错层梁板，与左右结构形成整体框架，以减小扭转位移比。

门厅处框架柱，由于上下无楼板连接，形成虚刚，故删除此处框架柱进行包络设计，以考虑实际刚度对整体结构的抗震性能及构件配筋的影响。对所有关键构件进行中震性能化设计。

4结构分析

4.1小震弹性反应谱分析

本工程采用PKPM（SATWE）和盈建科结构分析软件进行弹性反应谱分析，主要计算结果见表2。由结果可知，两种程序计算结果比较吻合，各项指标均满足规范要求。

表2两种程序计算结果对比

4.2小震弹性时程分析

从PKPM软件的地震记录库中选取了7条地震波（其中有5条天然波，2条人工波）进行小震弹性时程分析。所选取的多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与阵型分解反应谱曲线在统计意义上相符，可以采用。

基底剪力计算结果见表3，说明在多遇地震作用下采用反应谱法进行楼层剪力计算可以满足《抗规》的要求。8度（0.2?g）规范反应谱计算基底剪力可将7条地震波下的基底剪力全部包住，满足设计要求。

表3地震波基底剪力与反应谱法对比

4.3中震作用下的抗震性能设计

4.3.1关键构件的抗震验算

根据建筑功能需要，门厅及舞台周边存在多根穿层柱、错层柱，2层悬挑看台处的框架柱等受力特殊，对抗震不利；在大震作用下，如果同层其他框架柱开始进入塑性，地震力将向处于弹性状态的穿层或虚刚柱转移，故该构件应按周边非穿层柱有水平剪力复核其抗弯和抗剪承载力。

根据GB?50010—2010《混凝土结构设计规范》验算穿层柱端部的节点核心区抗剪承载力，并按中震弹性进行设计。穿层柱应检查并修改平面外计算长度才能模拟柱在整体模型中的真实刚度。

4.3.2楼板应力分析

3层、4层楼板大面积开洞，楼板不连续，为确保结构的抗震性能，对楼板进行应力分析。小震时，楼板保持弹性，不出现裂缝，主拉应力不超过混凝土抗拉标准值；在中震弹性工况下，可以出现局部裂缝，主拉应力不超过水平钢筋所承担的设计值，加强应力较大部位的配筋。

中震弹性工况下楼板主应力分布情况如图6所示。结果显示，大部分楼板拉应力均小于C30混凝土强度标准值，楼板中的主拉应力全部由楼板钢筋承担，满足规范要求。

（a）

（b）

（c）

（d）

图6中震作用下楼板应力云图

（a）1层x向；（b）2层x向；

（c）3层x向；（d）4层x向

4.4大震静力弹塑性分析

为满足“大震不倒”的第三水准抗震设防目标，本工程采用PUSH&EPDA 软件[8]中的静力推覆分析方法进行了罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算。

罕遇地震影响系数最大值取0.50，场地特征周期取0.50s，考虑几何非线性和材料弹塑性，采用倒三角形侧推荷载进行分析。 罕遇地震下，整体结构先是梁端出现屈服产生塑性铰，分布比较广泛，说明部分梁已进入了塑性阶段，部分轻度损坏，局部中度损坏，少部分出现比较严重损坏，满足性能设计要求。

柱端产生塑性铰的数量并不多，进入塑性阶段的时间也较晚，主要出现在门厅柱、穿层柱顶部或底部，大部分混凝土柱损伤较轻；施工图阶段对薄弱构件及关键构件予以加强，对门厅柱、穿层柱按中震弹性进行设计。

计算结果表明，对应罕遇地震时结构顶点的位移角分别为1/191（x向）和1/178（y向），均满足规范不大于1/50要求；结构抗震性能可达到设计要求的性能目标，整体结构具有良好的抗侧能力。

5结束语

滨江高级中学艺术中心是一座多功能艺术楼，作为学校的文艺表演中心及学术交流中心，人员密集，是学校重要的建筑。基于建筑造型及功能的需要，结构呈现平面不规则、空旷大空间以及高空悬挑等特点，给设计带来了诸多挑战，对结构的抗震性能也提出更高的要求。

针对这些设计难点和不规则类型，针对性地采取加强措施，采用两种计算模型进行包络设计，对大开洞楼板进行中震不屈服分析；补充弹性时程分析和大震静力推覆分析，使结构满足抗震性能化设计目标，并确保艺术楼结构的安全可靠，对类似结构形式有一定的借鉴意义，可供类似工程参考。