高烈度设防地区中学礼堂结构设计

高烈度设防地区中学礼堂结构设计

王晓彤1, 周济振2

 1 身份证号：232324199010205126   2 身份证号：371311198610193337

摘要：礼堂类建筑属于空旷结构，加之其造型复杂、内部大空间、屋顶大跨度等特点，使其与常规结构设计有所不同。依据建筑工程抗震管理条例（国务院744号令），对高烈度设防地区的中学礼堂建筑应采用隔震减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。某高烈度设防地区中学礼堂建筑，主体结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，并布置黏滞消能器。本文从结构体系选择、抗震性能目标确定、结构布置及计算分析等方面介绍结构主要设计要点，以期为同类建筑工程设计提供参考。

关键词：礼堂，框架-剪力墙结构，黏滞消能器

1工程概况及背景

某中学礼堂位于河北省廊坊市，建筑高度为22.20m，为多层建筑，其平面尺寸为39.9m × 63.0m，地上3层，各层的层高为：5.10m、6.80m及10.30m，总建筑面积为4850 m2，中间为观众厅（内有上下两层座椅），共有座位1052个，舞台及观众厅周围为化妆间、排练室、空调机房等附属用房。建筑主要柱网尺寸X向为7.80m、6.95m、10.40m，Y向为7.80m、9.00m，屋顶主要跨度为24.70m。礼堂设计使用年限50年，依据《分类标准》[1]为重点设防类，其安全等级定为一级，γ0取1.1。抗震设防烈度为八度（0.20g），第二组，Ⅲ类场地。

项目方案报规划完成日期迟于2021年9月1日，根据中华人民共和国国务院令（第744号）（简称：“条例”）第十六条，位于高烈度设防地区的学校应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术。相较于以往高烈度区学校类建筑，建筑工程抗震管理条例强制要求结构采用隔震或减震措施，并明确规定在发生本区域设防地震下，能满足正常使用的要求。在此之前，类似建筑主体结构仅需满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[2]（简称《抗规》）多遇地震下正常使用的要求。建筑工程抗震管理条例及与之配套的规范标准对高烈度设防地区的重点设防类建筑的抗震性能目标要求均有大幅度提升。

结合项目特点并综合考虑建筑方案及功能布局要求，本工程采用消能减震技术。本工程减震设计主要依据河北省住建厅2021年第87号文《建筑工程消能减震技术标准》（DB13(J)/T 8422-2021）[3]。

2结构体系

礼堂主体结构体系确定初期，查阅学习了多个国内影剧院类建筑设计文献，其主要结构体系大都为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，例如上海的东方艺术中心、福建漳州歌剧院、珠海歌剧院以及青岛东方影都大剧院等。一般原因有以下几点：剧院礼堂类建筑内部空旷复杂，人员密集，相比钢筋混凝土框架结构，框架-剪力墙结构能在显著增加结构侧向刚度的同时，更好地实现多道设防的抗震理念；从建筑使用角度来说，剧院舞台工艺复杂，剪力墙能提供更好的安装固定条件，满足更高的声学要求。此外，依据《抗规》[2]关于空旷房屋和大跨度屋盖建筑设计的相关规定，为增大主体结构抗侧刚度，除四周楼梯间位置布置剪力墙外，礼堂内部舞台及观众厅周围也布置剪力墙作为主要抗侧力构件。综合现有工程案例及相关规范规定，该礼堂建筑采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，其中剪力墙部分的抗震等级为一级，框架部分的抗震等级为二级。本项目按规范要求计算水平地震作用及竖向地震作用。

在建筑工程抗震管理条例新的设计要求下，主体结构体系确定后，还有一个关键问题是选取合适的消能减震措施。在不影响建筑立面及内部功能布局的前提下，墙式黏滞阻尼器在多种减震措施中具有明显优势。墙式黏滞阻尼器可布置在建筑隔墙内，基本不影响建筑内部布局，它不增加结构刚度，不改变结构周期，主要通过增加结构的阻尼实现减小结构基底剪力和层间位移的效果。结构方案确定初期，考虑到屈曲约束支撑中震下可以为结构提供较大刚度，且施工相对简单、工期短，大震下屈服耗能，可以对主体结构提供很好的保护，试算了钢筋混凝土框架+屈曲约束支撑的方案，但由于礼堂内部过于空旷，无控模型层间位移角与规范限值（1/400）相差巨大，约为规范限值的2.5倍左右，且内部可布置屈曲约束支撑的位置严重不足，钢筋混凝土框架+屈曲约束支撑的方案很难达到规范要求的层间位移角限值，该方案不予采用。最终确定的礼堂结构方案是在钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系的基础上，采用布置墙式黏滞阻尼器（简称“VFD”）的减震措施。

3抗震性能目标

对于消能减震结构，原结构和附加的消能减震装置均为这一新结构系统的子结构[4]。

依据建筑工程抗震管理条例及《建筑工程消能减震技术标准》[3]，该礼堂适用第二类设防目标。各性能水准结构抗震性能目标见表 1。

表1各性能水准结构抗震性能目标

定性角度分析，设防地震下满足正常使用要求，即要求结构设计须基于设防地震进行设计，较以往采取减震措施的建筑来说，设防地震地震加速度取值为多遇地震加速度值的2.8倍，即使采用必要的减震措施减小地震力，实际地震力增大也是非常显著的，截面及配筋相比以往都会有较大增加。

4结构布置及结构分析

4.1上部结构布置

本工程首层、二层顶板开有大洞，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，开洞面积大于该层楼面面积的30%，为增加楼板平面内刚度及保证水平力的有效传递，采取通过加大洞口周围楼板的厚度并双层双向配筋，同时增加洞口处边梁的截面尺寸、边梁上下钢筋及中部设置腰筋等措施，提高结构整体的刚度。此外，常规分析假定的楼板平面内无限刚性原则已经不能准确反映结构的实际受力情况，采用弹性楼板假定，真实地反映结构楼板的平面内和平面外的刚度。顶层大跨度梁采用型钢混凝土梁，梁截面为500 mm×1200mm，支撑大跨度梁的柱采用型钢混凝土柱，柱截面为1000mm×1000mm，抗震等级按一级采用，并考虑竖向地震。

依据均匀、分散、对称、周边的布置原则，本工程在舞台及观众厅周围布置剪力墙，并利用角部楼梯间布置剪力墙，控制结构扭转位移比在1.40以内，避免成为特别不规则建筑。除布置剪力墙外，还需布置墙式黏滞阻尼器，即VFD。VFD可布置在建筑隔墙内，不影响建筑功能布局。

综合考虑结构固有特性及经济性原则，礼堂结构预设的减震目标为附加2%的阻尼比。礼堂总层数为3层，VFD布置在首层、二层（三层层高过高不适于布置VFD）。首层X向布置5组（一组为2个）VFD，Y向布置5组VFD，二层X向布置4组VFD，Y向布置4组VFD，全楼共36个。本工程采用的VFD阻尼系数100 kN/(mm/s)a，阻尼指数0.25，设计阻尼力433 kN，设计速度352 mm/s，极限阻尼力453 kN，极限速度422 mm/s，大震出力396 kN，大震位移12.60 mm，计算阻尼力680 kN，行程50 mm。VFD布置原则仍遵循均匀、分散、对称的原则，在两个主轴方向布置，并形成均匀合理的结构体系，避免因阻尼器布置使主体结构出现平面不规则或竖向不规则。

4.2上部结构分析

上部结构的分析方法参见《建筑工程消能减震技术标准》[3]。多遇地震下，主体结构处于弹性工作状态，消能器处于线性工作状态，采用振型分解反应谱法；在设防地震下主体结构基本处于弹性工作状态，消能器处于非线性工作状态，将消能器等效线性化，采用附加有效阻尼比的方式，应用振型分解反应谱法对结构进行分析；罕遇地震下，主体结构进入弹塑性状态，采用静力弹塑性分析法分析。消能部件附加给结构的有效阻尼比可根据《建筑工程消能减震技术标准》[3]第6.4.4条确定。

本工程取3组加速度时程曲线进行附加阻尼比计算，计算结果取3组加速度时程曲线附加阻尼比计算结果最小值。多遇地震下附加阻尼比X方向和Y方向最小的附加阻尼比分别为5.48%和6.29%。多遇地震下位移角X方向和Y方向分别为1/2215和1/2293，扭转位移比X方向和Y方向分别为1.37和1.26，均满足规范限值要求。

本工程取3组加速度时程曲线进行附加阻尼比计算，计算结果取3组加速度时程曲线附加阻尼比计算结果最小值。设防地震下附加阻尼比X方向和Y方向最小的附加阻尼比分别为2.26%和2.54%。设防地震下位移角X方向和Y方向分别为1/678和1/708，满足规范限值要求。

依据《建筑工程消能减震技术标准》[3]第5.1.5条，采用振型分解反应谱法计算地震作用时，并采用时程分析法进行补充计算，本工程取3组加速度时程曲线，计算结果取时程分析法的包络值与振型分解反应谱法的较大值，比较后的楼层地震作用放大系数为1.0。

罕遇地震下减震结构X方向最大位移角为1/462，Y方向最大位移角为1/472，满足规范要求1/200限值要求。

计算分析主要结果总结如下：多遇地震下，VFD即发挥作用，减小了地震作用；设防地震作用下，VFD发挥耗能作用，结构基本处于正常运行阶段，剪力墙和框架梁柱处于弹性阶段，无损伤，满足正常使用要求；罕遇地震下，VFD继续发挥耗能作用，出力未超过设计阻尼力，阻尼器大震下可以正常工作，不会出现破坏，大部分剪力墙和框架梁柱损伤在轻微损坏或轻微损伤以下，部分剪力墙连梁出现轻度损伤，结构未出现中度及以上损伤。结构在附设了VFD后，提高了主体结构的安全性。

4.3基础设计

本项目礼堂基础设计仍基于设防地震的计算结果，对比多遇地震设计结果，采用地基处理的做法无法满足基础受力要求，需采用桩基础。桩型为钢筋混凝土灌注桩，桩径为800mm，桩长约24m，桩端持力层为第⑧层粉土层，基桩竖向承载力特征值为1200kN，桩承台采用多桩承台，承台之间在两个主轴方向设置联系梁。

5结语

本工程造型复杂，内部空旷，对于此类建筑，抗侧力体系可选择钢筋混凝土框架

-剪力墙结构。楼板开大洞造成结构联系薄弱，为增加楼板平面内刚度及保证水平力的有效传递，采取通过加大洞口周围楼板的厚度并双层双向配筋，同时加大洞口边梁截面尺寸、边梁上下钢筋及中部设置腰筋等措施，提高建筑物的整体刚度。高烈度设防地区中学礼堂建筑，按照建筑工程抗震管理条例应采用隔震减震措施，并满足设防地震下正常使用要求，构件设计基于设防地震，各构件相应性能目标要求可参见各地方标准，使得结构具有较好的抗震性能。墙式黏滞阻尼器可布置在建筑隔墙内，基本不影响建筑内部布局，它不增加结构刚度，不改变结构周期，主要通过增加结构的阻尼实现减小结构基底剪力和层间位移的效果。结构分析结果表明高烈度设防区重点设防类礼堂建筑，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构+墙式黏滞阻尼器能满足建筑工程抗震管理条例及河北省地标《建筑工程消能减震技术标准》的要求。

6参考文献

[1].GB50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2].GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2016..

[3].DB13(J)/T 8422-2021 建筑工程消能减震技术标准[S]．北京：中国建材工业出版社，2021.

[4].潘鹏，叶列平. 建筑结构消能减震设计与案例 [M]. 北京：清华大学出版社，2014.

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