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沈阳奥体中心游泳馆结构抗震计算分析*

张士昌　徐晓明

(上海建筑设计研究院有限公司， 上海　200041)

摘　要：采用SAP 2000软件对沈阳奥体中心游泳馆结构进行抗震计算分析。分析选用单钢结构、单混凝土结构、整体结构3种计算模型，采用振型分解反应谱、弹性时程分析、弹塑性时程分析3种计算方法进行分析，结果表明：单钢结构模型不考虑下部混凝土对钢结构地震作用的放大，偏于不安全；单混凝土模型不考虑钢结构带来的整体结构周期变长的有利影响，偏于保守；在罕遇地震作用下，结构满足相关规范的抗震设防目标。

关键词：SAP 2000； 弹塑性时程分析； 大跨空间结构； 整体模型； 抗震

1　工程概况

沈阳奥体中心游泳馆及网球中心位于沈阳市浑南新区，是沈阳奥林匹克体育中心3个单体建筑(体育场、体育馆、游泳馆及网球中心)之一。游泳馆及网球中心由游泳馆、网球中心、网球训练馆3个部分组成，总建筑面积约50 000 m2。其中，游泳馆可容纳观众3 000人，建筑面积约24 000 m2。游泳馆及网球中心效果如图1所示，从左到右依次为游泳馆、网球训练馆和网球中心。

图1　游泳馆及网球中心效果

2　结构体系

游泳馆结构分为主体混凝土结构和屋盖钢结构两大部分，建筑高度28.0 m。主体结构采用钢筋混凝土框架结构体系，基础采用桩基加基础地梁的形式，无地下室。混凝土结构主体与楼梯间设置沉降缝。

屋盖钢结构以横向平面桁架为主，结合纵向支座桁架和纵向联系桁架，三者共同形成空间钢管桁架体系，最大跨度67.2 m。游泳馆钢柱脚共设 34个支点，坐落在混凝土结构5.800 m标高大平台或看台柱顶，钢管柱直埋到混凝土柱当中，埋入深度3d(d为钢管直径)。

屋面的建筑造型由屋面体系中的檩条、檩托构成，主体钢结构径向一律保持直线，以方便制作。

屋面层均为金属屋面，面板采用铝镁锰板直立锁边体系，屋面层含保温层。

3　振型分解反应谱方法计算结果

为了对不同的地震计算方法结果进行比较，先按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》振型分解反应谱方法对单混凝土模型(以下简称单混模型)、单钢结构模型(以下简称单钢模型)、整体模型进行了求解。单混模型将钢结构的恒载和活载考虑为节点荷载输入混凝土柱顶，重力代表值与整体模型相差仅0.3%；单钢模型假定柱脚刚接；整体模型如图2所示。

图2　整体模型

根据GB 50011—2010和勘探报告，抗震设防烈度7度(0.1g)，场地类别为II类，设防地震分组为第一组，特征周期为0.35 s，多遇地震下的地震影响系数最大值为0.08。按照JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》的规定，单钢模型阻尼比取0.02，单混凝土模型阻尼比取0.05，整体模型阻尼比取0.03。钢结构重力代表值为32 618 kN，整体结构重力代表值为445 741 kN。

提取单钢模型和整体模型中的以钢结构为主的主要振型，第1振型均为Y向水平振动，第2振型均为X向水平振动，两个模型周期如表1所示。可见，整体模型将混凝土结构考虑进来之后，钢柱脚不再是不动支座，钢结构周期有明显的增加。

表1　模型周期对比：钢结构振型

模型 不同振型对应的周期/s第1振型第2振型单钢结构模型0.7440.507整体模型0.8770.632

提取单混模型和整体模型中以混凝土结构为主的主要振型，第1振型均为X向水平振动，第2振型均为Y向水平振动，两种模型周期如表2所示。可见，整体模型将钢结构考虑进来之后，钢结构刚度偏小，混凝土结构周期有明显的增加。

表2　模型周期对比:混凝土结构振型

模型不同振型对应的周期/s第1振型第2振型单混模型0.5230.508整体模型0.6320.520

振型求解采用RITZ向量方法，过滤掉振型参与质量极小的局部振型，保证两个模型两个方向的振型质量参与系数均达到90%以上。利用SAP 2000中的截面切割功能，统计整体模型中钢柱脚的地震剪力，与单钢结构模型的对比如表3所示。可见，单钢模型不考虑下部混凝土对钢结构地震作用的放大，地震剪力相差很多，偏于不安全。

表3　模型地震剪力对比：钢结构

模型 柱底剪力之和/kN剪重比/%X向Y向X向Y向单钢结构模型1441.41087.34.403.30整体模型中钢结构4068228212.507.00

统计整体模型中的地震剪力，与单混模型的对比如表4所示。可见，单混模型无法考虑钢结构带来的整体结构周期变长的有利影响，地震剪力相差不少，偏于保守。

表4　模型地震剪力对比：混凝土结构

模型柱底剪力之和/kN剪重比/%X向Y向X向Y向单混模型20602216474.604.90整体模型16076169703.603.80

4　弹性时程分析方法计算结果

按照弹性时程分析方法，对单混模型、单钢模型、整体模型进行了求解。选取适合本工程II类场地的El Centro波，两个方向输入，地震峰值加速度按照aX∶aY=1∶0.85的比例进行调整，地震波的最大峰值加速度调整为35 cm/s2，各模型阻尼比取值同振型分解反应谱方法。

单钢模型与整体模型中钢结构的地震剪力对比如表5所示，单混模型与整体模型的地震剪力对比如表6所示。在该地震作用下，3个模型两个方向地震剪力均有所增加。规律仍然和振型分解反应谱法一致。整体模型中，钢结构柱脚的加速度最大值aXmax=85 cm/s2，aYmax=90 cm/s2，是柱底加速度35 cm/s2的2.42和2.57倍。

表5　模型地震剪力对比：钢结构

模型 柱底剪力之和/kN剪重比/%X向Y向X向Y向单钢结构模型233615037.204.60整体模型中钢结构6202278019.008.50

表6　模型地震剪力对比：混凝土结构

模型柱底剪力之和/kN剪重比/%X向Y向X向Y向单混模型29026254466.505.70整体模型18540213134.204.80

5　弹塑性时程分析方法计算结果

通常使用的动力弹塑性时程分析软件，包括SAP 2000、ABAQUS、PERFORM-3D、EPDA，各软件的主要差异在于混凝土结构本构关系的假定，主要区别见表7。

表7　各软件计算模型对比

软件名称梁柱单元 剪力墙单元PERFORM-3D塑性铰模型或纤维束模型纤维束模型ABAQUS纤维束模型壳元损伤模型EPDA纤维束模型弹塑性墙元模型SAP2000塑性铰模型分层壳模型

根据试验拟合的集中塑性铰模型可能会比纤维模型更好地模拟剪切捏拢和钢筋黏结-滑移影响[1]。本文选择SAP 2000进行弹塑性时程分析[2]。图3是SAP 2000中典型的塑性铰变形与力的关系曲线。该关系由5个点(A、B、C、D、E)确定；AB段为弹性阶段；BC段表示构件进入塑性状态，该段又可以分为3个阶段(IO、LS、CP)，对应塑性铰的可修复程度(可立即恢复、可修以及不倒等状态)；DE段表示塑性铰已进入强度退化段，点E为塑性铰失效退出工作[3-6]。

图3　塑性铰的广义力-变形关系的骨架曲线

按照弹塑性时程分析方法，对整体模型进行了求解。选取适合本工程II类场地的El Centro波，两个方向输入，地震峰值加速度按照aX∶aY=1∶0.85的比例进行调整，地震波的最大峰值加速度调整为220 cm/s2，罕遇地震下的结构阻尼比取0.05。动力弹塑性分析时，采用与刚度和质量有关的瑞雷阻尼。时程分析的起始工况为“1.0恒载+0.5活载”。

现行GB 50011—2010主要根据弹塑性层间位移角来界定结构是否倒塌，故首先考察结构的层间位移角情况。在aX∶aY=1∶0.85的地震作用下，X向最大层间位移角出现在第1层，为1/227，Y向最大层间位移角出现在第3层，为1/159；在aX∶aY=0.85∶1的地震作用下，X向最大层间位移角出现在第1层，为1/275，Y向最大层间位移角出现在第3层，为1/133。均小于规范1/50的要求。

塑性铰的分布能让设计者直接观察结构的具体损伤部位及程度。混凝土结构的塑性铰分布如图4所示。混凝土框架部分的塑性铰比较多，主要处于B-IO或IO-LS阶段，这些铰的性能处于立即可用或可修的状态。但是，游泳馆的框架柱和斜看台第一排柱子全部出现塑性铰，原因是这些柱子的高度相对较小，分别为2.5 m和3.1 m，承担了较多的地震作用，施工图设计时针对这些柱子进行了截面和配筋加强。

图4　混凝土框架塑性铰状况(局部)

钢构件则没有出现塑性铰。为了对计算结果进行验证，采用振型分解反应谱法，取αmax=0.50，在“1.0恒载+0.5活载+1.0地震作用”下，按照GB 50011—2010对钢构件进行验算，结果发现，钢柱最大应力比为0.8，钢桁架构件应力比均在0.6以下。因此，在罕遇地震工况下，钢结构确实不会出现塑性铰。钢构件控制工况为风荷载、温度等工况的组合。

6　结束语

本文采用SAP 2000对沈阳奥体中心游泳馆进行了计算分析，结果表明：相比单钢结构模型，整体模型将混凝土结构考虑进来之后，钢结构周期有明显的增加；振型分解反应谱法和时程分析法计算结果都表明，单钢模型不考虑下部混凝土对钢结构地震作用的放大，地震剪力相差很多，偏于不安全。

相比单混凝土结构模型，整体模型将钢结构考虑进来之后，混凝土结构周期有明显的增加；单混模型无法考虑钢结构带来的整体结构周期变长的有利影响，地震剪力相差不少，偏于保守。

因此，即使在初步设计阶段计算钢结构时，也应建立整体模型，按照振型分解反应谱法和时程分析法的计算结果，求解混凝土结构对钢结构的地震荷载放大系数，在单钢结构模型中，将地震影响系数最大值放大。施工图设计时，应建立整体模型准确求解二者的相互影响，并按照整体模型结果验算钢结构应力比，校核混凝土结构配筋。

利用SAP 2000塑性铰模型，对沈阳奥体中心游泳馆整体结构进行了弹塑性时程分析，结果表明：在罕遇地震作用下，结构两个方向的最大层间位移角均满足GB 50011—2010限值1/50的要求；混凝土框架的塑性铰较多，主要处于B-IO或IO-LS阶段，这些铰的性能处于“立即可用”或“可修”的状态；钢结构没有出现塑性铰，表现出良好的抗震性能。

参考文献

[1]　陆新征，叶列平，缪志伟，等. 建筑抗震弹塑性分析——原理、模型与在ABAQUS，MSC.MARC和SAP 2000上的实践[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2009.

[2]　北京金土木软件技术有限公司. SAP 2000中文版使用指南[M]. 2版.北京：人民交通出版社, 2012.

[3]　周定松，肖克艰，陈志强. 成都双流国际机场T2航站楼大厅弹塑性时程分析[J]. 建筑结构, 2010,40(9): 23-26.

[4]　苏键. 塑性铰模型对混凝土框架结构动力弹塑性分析的影响[J]. 广东建材, 2013(5): 45-48.

[5]　沙广璟，何若全. SAP 2000在静力弹塑性分析时塑性铰的修改[J]. 苏州科技学院院报:工程技术版, 2007,20(3): 1-4.

[6]　吴桂广. 常用建筑结构静力弹塑性分析软件功能对比研究[D]. 广州：广东工业大学, 2011.

SEISMIC CALCULATION AND ANALYSIS OF THE INTEGRAL STRUCTURE OF SHENYANG OLYMPIC NATATORIUM

Zhang Shichang　Xu Xiaoming

(Shanghai Institute of Architectural Design & Research Co.Ltd, Shanghai 200041,China)

ABSTRACT：SAP 2000 software was used to carry out the seismic calculation and anlysis of the structure of Shenyang Olympic Natatorium. Single steel structure model, single concrete structure model and integral structure model were analyzed with three calculation methods: mode-superposition response spectrum, elastic time-history analysis and elastic-plastic time-history analysis. The results showed that the single steel structure model was not safe if magnification effect of seismic force from the lower concrete structure was not considered, and it was conservative if the positive period-elongation effect of the integral structure was not considered in the analysis of single concrete model. Under the impact of rare earthquake, the structure could satisfy the seismic design target of relevant codes.

KEY WORDS：SAP 2000; elastic-plastic time-history analysis; long-span space structure; integral model; seismic analysis

收稿日期：2015-11-28

DOI:10.13206/j.gjg201604009

*上海建筑设计研究院青年科技基金项目(11-1类-0002-结)。

第一作者：张士昌，男，1981年出生，硕士，高级工程师，国家一级注册结构工程师。

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