华东建筑设计研究院有限公司，上海 200070
摘要：某广电中心新建工程主体采用钢框架结构体系，结构布置存在楼板开大洞、局部单品框架及大跨度等不规则项。复杂结构在多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个不同的力学模型，并对其计算结果进行分析比较。本文选用了SATWE与MIDAS GEN两种有限元软件对该结构进行模态分析、振型分解反应谱分析，通过周期比、位移比、剪重比、位移角等多指标进行对比验证来保证结构的安全性能。同时，结构设计时还采取了部分加强措施使结构性能更加完善。
关键词：广电中心；Midas gen软件；有限元分析；振型分解反应谱分析；模态分析；
Design and Analysis of Steel Structure Engineering in a New Radio and Television Center
Zhang Jiancong
(East China Architectural Design Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200070, China)
Abstract: The main body of a new project in a Radio and Television Center adopts steel frame structure system. There are irregular items such as large holes in floor, partial single-product frame and large span in the structure layout. In the analysis of internal force and deformation of complex structures subjected to frequent earthquakes, no less than two different mechanical models should be adopted, and the calculation results should be analyzed and compared. In this paper, two finite element software SATWE and MIDAS GEN are selected to carry out modal analysis and modal decomposition response spectrum analysis of the structure. The safety performance of the structure is guaranteed by comparing periodic ratio, displacement ratio, shear-weight ratio, displacement angle and other indicators. At the same time, some strengthening measures have been taken to improve the structure performance.
Key words: Radio and Television Center; Midas Gen Software; Finite Element Analysis; Mode Decomposition Response Spectrum Analysis; modal analysis
[作者简介：张建琮(1981-），男，结构工程硕士，工程师。
E-mail:dacong012@163.com
收稿日期：]
为了不断丰富民众的文化生活，不断提高文化修养，出现了越来越多的新的文化类型建筑，而此类项目都带有其自身的不同点，会造成结构设计专业面临多方面的结构超限。本文所述项目为上海市某新建广电中心，结构布置上存在大范围楼板缺陷、存在小范围单品框架及大跨度梁等，这些缺陷都可能使结构设计时出现可能的各种不规则。《建筑抗震设计规范》[1]规定复杂结构在多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个不同的力学模型，并对其计算结果进行分析比较。所以，本文选用了SATWE与MIDAS GEN两种有限元分析软件对某广电中心新建工程主体结构进行模态分析、振型分解反应谱分析，通过周期比、位移比、剪重比、位移角等多指标进行对比验证来保证结构的安全性能。
1工程概况
该新建广电中心位于上海市，主体包含地下一层及地上三层。主体单体总建筑面积18115.38m2，其中地上建筑面积（含保温层）13438.13 m2，地下建筑面积4677.25 m2，建筑高度为17m。
该项目属于广播电视性质的多层建筑，其主要建筑功能包含如下几点：1、设置一800 m2的大演播室，同时须配备优质的音响、灯光等硬件；2、设置一350 m2的新闻发布厅、两个超220 m2的小演播室及330 m2的控制室。演播室（包含大演播室）与控制室房间内都不能设置竖向构件。由于建筑对房屋美观需求，屋顶上多处降板来放置高大设备。
2结构体系及荷载取值
2.1结构体系
该项目建筑平面尺寸为100750mm X 66450mm，基本柱网尺寸为8400 mm X 8400 mm，拟采用多层框架结构体系。为了符合上海市对房屋装配率的政策要求，主体结构采用了钢框架结构体系。地上部分框架柱采用箱型钢柱截面，结构梁采用H型钢实腹截面；地下部分框架梁柱均采用钢筋混凝土矩形截面。建筑设计基准期为50年，结构安全等级为二级，设防烈度为7度（0.10g），设防类别为丙类，结构抗震等级为四级，场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9s。
该项目的结构体系特点为： 1、在演播室、新闻发布厅等处特别是大演播室处，由于建筑上不能设置结构柱，此处存在局部大跨度，最大跨度达到25.200m。且由于功能需求的工艺设备较多，导致演播室顶大跨度部分荷载较大；2、演播室竖向空间跨越了多层，结合设置的内部庭院，导致楼层平面上大面积楼板缺失；3、主体结构存在较多的局部单跨；4、屋顶上多处降板，局部降板幅度超1m。
2.2荷载取值
结构恒荷载考虑了墙体重量、楼屋面保护层做法、屋面绿化等，杆件自重由程序自动计算。活荷载按照现行的荷载规范[2]及广电工艺提供的数据设置。
风荷载相关参数如下：地面粗造度为B类，基本风压取0.55 kN/m2， 考虑双向风荷载工况。根据现行的建筑抗震设计规范[1]要求，本项目采用振型分析反应谱法计算地震作用，考虑双向水平地震计算，结构整体弹性分析阻尼比取0.04，局部大跨度构件考虑竖向地震计算。
3结构分析
3.1有限元模型建立
从结构设计方法来说，合格的建筑结构除了满足结构强度外，还要满足周期比、位移比、剪重比、位移角等指标要求。本项目采用有限元软件SATWE进行分析设计，同时用MIDAS GEN软件进行多指标对比验算。MIDAS GEN是一款结构通用有限元软件，它具有很强的分析及设计功能，应用领域十分广泛，大量的工程应用充分证明其分析功能的强大性和分析结果的准确性。对于屋顶降板处，建模时按不降板处理，设计时采用加强周边框架梁、加强梁柱节点做法来保证结构水平力的传导。
3.2模态分析
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，可以直观地获得结构动力响应。两个软件的模态分析均采用多重里兹向量法计算，且振型计算数量均满足规范[1]要求的有效质量系数不小于90%。两个软件的前10阶模态分析结果见表1，前三阶振型见图1~3。可以得知两种软件的计算结果基本一致，第一振型为X向整体振动，第二振型为Y向整体振动，第三振型为扭转振动，满足周期比0.85<0.90的要求。
3.2反应谱分析
根据现行的建筑抗震规范[1]，对结构采用振型反应谱法进行地震分析，考虑单向偶然偏心及双向地震组合，相关指标分析结果见表2~5。由模态分析可知，在前10阶振型中结构振动主要是水平振动，但在结构设计时对于局部大跨度框架还是考虑了竖向地震工况。
由于SATWE与MIDAS GEN软件对层的定义不一致，导致计算结果稍有差别，但从表2~5可以得到所有的计算结果都能满足规范要求。两种软件的位移角计算结果都能远远满足规范[1] 对于钢框架结构体系规定的1/250的限值要求；局部位移比计算结果超过1.2，但不大于1.5，故结构计算地震工况时考虑扭转影响；楼层剪重比计算结果都不小于1.6%。
3.3加强措施
通过上述计算分析，广电中心主体结构的周期比、位移比、剪重比、位移角等指标均能满足相关要求，结合本项目的特点，结构设计时还采取了如下加强措施：1、增加楼板厚度，特别是楼板缺失周边楼板厚度，同时采取楼板应力分析来针对性地提高楼板配筋率；2、加强降板处楼板周边框架梁及梁柱节点做法（如加腋）来保证结构水平力的传导；3、提高框架柱及部分框架梁构件的抗震等级，特别是单榀框架、跃层柱及楼梯周边框架等部位。通过这些加强措施，可使结构性能更安全可靠。
4结语
根据现行的建筑抗震设计规范[1]，本文通过对某广电中心新建工程主体结构进行模态分析、振型分解反应谱分析，得知本项目的结构各项指标均能满足要求。通过SATWE与MIDAS GEN两种有限元分析软件在周期比、位移比、剪重比、位移角等指标进行对比验证，说明本结构的安全性能是可靠的，同时，结合本项目的特点，结构设计时还采取了部分加强措施使结构安全性能更加完善。
参 考 文 献
[1] GB 50011-2012建筑抗震设计规范[ S ]. 北京: 中国建筑工业出版设, 2010.
[2] GB 50009-2012建筑结构荷载规范[ S ]. 北京: 中国建筑工业出版设, 2012.
论文作者:张建琮,
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第04期
论文发表时间:2019/6/21
标签：结构论文; 位移论文; 荷载论文; 楼板论文; 演播室论文; 建筑论文; 框架论文; 《工程管理前沿》2019年第04期论文;