摘 要 霞光大剧院是由观众厅、舞台、多功能厅、旅馆、办公等一系列功能分区组成，为满足建筑立面效果及建筑功能的完整性，结构主体未设置抗震缝，结构存在着复杂连接、大开洞、穿层柱等复杂超限问题，属于国内罕见的超限复杂高层建筑，为对结构整体及关键构件在地震作用下受力情况有一个准确认识，本工程采用基于性能化设计，选用多种软件及不同结构模型对结构进行了分析与研究，使结构设计真正做到安全使用，技术先进，经济合理。
关键词 复杂超限结构；建筑抗震设计；性能化设计
1 工程概况
石家庄市演艺有限公司霞光大剧院（演艺中心）位于石家庄市建华南大街以西、体育大街以东、塔南路以南。总建筑面积约为5.274万m2，地上建筑面积3.992万m2，地下建筑面积1.282万m2。包括剧场、多功能厅和办公、招待所，剧场、多功能厅均为一层大空间建筑，局部地上4层，办公、招待所部分地上7层，地下1层，建筑总高度28.700m，建筑长度132.000m，建筑宽度91.600m。地下含核六常六人防物资库，建筑面积0.7007万m2，平时用作汽车库。图1为北侧建筑效果图，图2为二层建筑平面图，图3为剖面图。
图1 北侧建筑效果图
图2 二层建筑平面图
图3 剖面图
2 结构设计
2.1 主要结构材料
混凝土——基础采用C30；柱、剪力墙在基础顶至1层为C40，2层至屋顶为C30；梁、板、楼梯、挡土墙为C30。
钢 筋——HPB300级，HRB400级。
钢 材——采用Q345B、Q235B。
基础底板、地下室外墙、地下室顶板采用抗渗混凝土，抗渗等级P8。
2.2 建筑设计分类及抗震等级
建筑结构安全等级为二级；结构重要性系数为1.0；结构设计使用年限为50年；建筑类别为重点设防类；框架抗震等级二级，局部框架柱（错层处、大空间四周框架柱及穿层框架柱）一级；剪力墙抗震等级为一级；地基基础设计等级为乙级。
2.3 风荷载及雪荷载
风荷载：河北省石家庄市基本风压，按50年一遇ω0为0.35kN／m2。风压高度变化系数按C类地面粗糙度采用，风荷载体型系数取1.3。
雪荷载：取50年重现期基本雪压0.30kN／m2。
2.4 地震荷载
建筑结构的设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。
设计地震动参数：地震设防烈度7度，设计地震分组第二组，基本地震加速度0.10g。
水平地震影响系数最大值：多遇地震0.08；设防烈度0.23；罕遇地震0.50。
设防分类：重点设防类（乙类），按7度进行地震作用计算，按8度采取抗震措施。
地震峰值加速度（按《建筑抗震设计规范》GB50011取值）：多遇地震35，设防烈度100，罕遇地震220。
场地类别为Ⅲ类，周期折减系数为0.80，特征周期为0.55s。
2.5 结构布置
本工程结构体系采用框架－抗震墙结构，其中局部框架为钢框架。结构布置时，结合建筑功能分区及使用空间的要求，在剧场观众厅及多功能厅四角、楼梯间等部位布置抗震墙，形成整体结构的主要抗侧力体系，为结构提供了很好的抗水平力刚度，提高了建筑物抵抗地震作用和风荷载的能力。其剪力墙布置以7层为例，详见图4。
本工程楼盖采用现浇钢筋砼梁板结构，加强了结构的整体性，对刚度突变部位（如首层楼板、大屋顶）以及大洞口四周楼板采取加强措施，加大板厚及配筋，目的是提高楼盖的承载力和整体刚度，以保证地震作用的有效传递。前厅上空部分及舞台上空屋面采用钢梁、楼板采用楼承板；观众厅上空采用空间网架结构。前厅部分在2层至屋顶设置直径为800mm的钢管混凝土斜柱。钢管混凝土斜柱生根于2层以下直径为1100mm的混凝土圆柱。斜柱剖面图见图3。
图4 剪力墙布置图
主要构件截面如下（以下单位均为mm）：
大跨度框架梁截面：400×1200，400×1300，500×1300等。
大跨度钢框梁：1200×400×25×25，1500×400×30×30，1500×400×30×30等。
其他框架梁截面：300×700，300×800，400×700等。
斜柱截面：800×760。
框架柱截面：600×600，700×700，800×800，900×900等。
2.6 结构不规则情况及相应措施
结构不规则情况见表1。
表1 结构不规则情况一览表
针对不规则情况的抗震措施：
（1）关键构件的分析及加强措施：采用空间结构计算模型，计算水平地震并计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移与楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的比控制在1.5倍以内。计算时采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型。本工程采用YJK程序进行计算，同时采用PMSAP、MIDASBUILDING程序进行复核。
针对结构竖向不规则，将薄弱层的地震剪力乘以1.25倍的增大系数；按规范规定进行弹塑性变形分析。依据基于性能的抗震设计理念及强剪弱弯、强柱弱梁设计原则，将结构薄弱部位——观众厅处悬挑梁及与悬挑梁相连框架柱、剪力墙按中震不屈服、大震不屈服的标准进行设计。错层处框架柱、大空间（例如观众厅、多功能厅等）周边位置框架柱以及穿层框架柱抗震等级提高一级按一级设计。
（2）关键位置楼板的分析及加强措施：楼板采用现浇钢筋混凝土楼板，对特殊部位楼板如首层楼板、大屋顶楼板及大洞口（例如观众厅、多功能厅等）周边楼板采取加厚加强措施，有利于提高结构整体性，并有效传递地震力。对开大洞楼板进行有限元应力分析。
楼板开大洞削弱处尚采取：板厚至少120mm；提高楼板配筋率；采用双层双向通长配筋；洞口边设置边梁；洞口周边梁、柱加强；地震作用下控制洞口周边楼板拉应力最大值不大于砼的拉应力；增加连接构件的延性等加强措施。
（3）对于结构薄弱层（指定电算5层、7层、8层为薄弱层），分析其形成的因果关系，采取地震剪力放大不小于1.25倍，提高结构延性的措施外，按规范规定进行弹塑性计算分析，达到大震作用下抗震性能目标。
（4）进行静力弹塑性分析，保证整个结构大震不倒，对关键构件采取加强延性的措施。
（5）因局部柱截面较大形成超短柱，对其采取加大体积配箍率，柱截面中部设置由附加纵向钢筋形成的芯柱，且附加纵向钢筋的截面面积不小于柱截面面积的0.8%，沿柱全高采用井字复合箍，箍筋间距不大于100mm、直径不小于12mm、肢距不大于200mm，减小轴压比等措施，确保其延性。
3 抗震性能化设计
3.1 抗震设防性能目标
按照《建筑抗震设计规范》GB500111.0.1条规定及条文说明，抗震设防性能目标主要通过“两阶段三水准”的设计方法和采取有关措施实现，对于本工程，除了按照上述原则进行设计外，还按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2010）第3.11条对结构进行抗震性能化设计，结构抗震性能目标定位D级。
表2、表3中关键构件包括：观众厅处悬挑梁及与悬挑梁相连框架柱、剪力墙；错层处框架柱；穿层柱；剧场4层连接薄弱处大跨框架梁。
表2 抗震设防性能目标
表3 抗震设防性能表现
3.2 性能化设计
（1）在小震作用下，所有构件按规范要求设计、保持弹性。
（2）在中震作用下，关键构件不屈服，竖向构件抗剪不屈服、抗弯部分屈服。观众厅处悬挑梁在中震下保持不屈服。
（3）在大震作用下，关键构件不屈服，竖向构件及耗能构件进入屈服阶段，且应满足抗剪截面限制条件，同时控制塑性变形。
4 结构分析
4.1 计算内容
整体结构小震弹性分析，采用YJK、PMSAP、MIDAS BUILDING进行上部结构电算，整体结构动力特性见表4。对其结果进行对比，满足结构具有必要的承载力可靠度，又满足中震损坏可修目标。
基于抗震结构目标的中震、大震分析。
整体结构多遇地震的弹性时程分析，与CQC法分析结果做比较，以确保结构分析的全面性，保证结构受力安全可靠。
整体结构大震的静力弹塑性分析（PUSHOVER），分析结构破损过程中结构的变形能力，验证大震下的机构安全性能。
图5 YJK计算模型
表4 整体结构动力特性
4.2 计算模型
计算模型见图5至图7。
图6 PMSAP计算模型
图7 MIDASBUILDING计算模型
4.3 结构周期及振型
结构周期及振见图8至图13。
图8 第一振型T1＝0.7764（YJK）
图9 第一振型T1＝0.7907（PMSAP）
图10 第二振型T2＝0.7298（YJK）
图11 第二振型T2＝0.7420（PMSAP）
图12 第三振型T3＝0.6690（YJK）
图13 第三振型T3＝0.6791（PMSAP）
4.4 位移和扭转位移比分析
反应谱法计算得到的结构最大响应位移结果列于表5，从表中可见，层间位移角以及位移比均基本满足要求。
4.5 性能化设计结论
本工程属于不规则高层结构，按性能目标D进行性能化分析。在多遇地震下，建筑结构完好，满足弹性设计要求；在设防地震下，轻度至中度破坏，关键构件轻度损坏，普通竖向构件部分构件中度损坏，耗能构件中度损坏、部分比较严重损坏，故关键构件受剪及正截面承载力满足屈服承载力设计要求，总体按中震不屈服设计；在罕遇地震下，关键构件中度损坏，普通竖向构件部分构件比较严重损坏，耗能构件比较严重损坏，故应满足大震不屈服设计要求。
表5 位移特性
在多遇地震作用下，结构的最大层间位移角为1／1415，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3 4.6.3条框架结构最大位移与层高之比小于1／800的规定，可以认为结构在此时没有破坏，满足小震弹性要求。
在设防烈度地震作用下，结构的最大层间位移角为1／517，符合设防目标最大位移与层高之比小于1／200的规定，可以认为结构在此时只有轻度至中度破坏。关键构件（观众厅处悬挑梁及与悬挑梁相连框架柱、剪力墙；错层处框架柱；穿层柱）基本完好，满足中震不屈服设计要求。
在罕遇地震作用下，结构的最大层间位移角为1／211，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3 3.7.5条结构层间弹塑性位移角小于1／100及0.9倍塑性变形的规定。此时结构关键构件基本完好；竖向构件较多进入屈服，但同一楼层不全部屈服；框架梁产生塑性铰，但不发生剪切破坏，承载力达到极限值后基本维持稳定。
5 结构抗震性能的综合评价
本工程属于不规则高层建筑。由于结构设计中采取了较为合理的结构布置，并对结构的薄弱处及关键构件采取了有效的构造措施，从而减小了体型不规则带来的不利影响，使得结构仍具有较好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。
各程序的计算结果基本规律一致，只是由于对某些特殊情况的处理方法在概念上不尽相同、在单元模型上存在的差异，使得计算结果在数值上存在一定的差异，但均在可接受的范围内。
从以上计算结果分析，各项抗震指标均控制在规范限值以内，设计经济合理，建筑物安全可靠。
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