2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

Vol·307

泉州通淮关岳庙剪瓷雕装饰艺术特色与文化内涵探究

王卓茜 孙 群 赵汉卿

(福建理工大学建筑与城乡规划学院 福建福州 350100)

摘 要:通淮关岳庙位于泉州市鲤城区,是福建省现存中建筑规模最大的武庙,作为民间信仰的寺庙影响极高,关岳庙

最引人注目的则是其屋顶装饰,采用闽南民间工艺剪瓷雕手法,具有别具一格的艺术特色;关岳庙的剪瓷雕装饰体现

了儒家等级秩序理念、反映人们崇尚理学的“正气”思想、期望神灵庇佑虔诚心愿,更为两岸民间工艺之纽带,彰显中国

地域传统工艺的独具匠心。

关键词: 闽南寺庙;通淮关岳庙;剪瓷雕;屋顶装饰

中图分类号:TU252 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0040 - 05

An exploration of the artistic characteristics and cultural connotations of porcelain sculpture

decorating the Guangyue Temple in Tonghuai,Quanzhou

WANG Zhuoxi SUN Qun ZHAO Hanqing

(School of Architecture and Urban Rural Planning,Fujian University of Technology,Fuzhou 350100)

Abstract:Tonghuai Guanyue Temple is located in Li Cheng District,Quanzhou City,Fujian Province,the largest existing building in the

martial arts temple,as a temple of folk beliefs is very high,Guanyue Temple,the most striking is the roof decoration,the use of southern Fujian folk craft shear porcelain carving techniques,with unique artistic characteristics; Guanyue Temple shear porcelain carving decoration

embodies the concept of the order of the hierarchy of Confucianism,reflecting the people revered Science The decoration of Guan Yue Temple reflects the concept of hierarchical order of Confucianism,reflects people?s reverence for the ideology of \" righteousness\" ,and expects the

gods to bless the pious wish,and more cross - strait folk crafts of the bond,highlighting the ingenuity of China?s regional traditional crafts.

Keywords:Southern Fujian temple; Guanyue Temple; Tonghuai; Cut porcelain carving; Roof decoration

基金项目:福建省社会科学基金重点项目“泉州佛教文化遗产的挖掘、

整理与研究”(FJ2023A013)。

作者简介:王卓茜(1999— ),女。

E-mail:980793343@ qq. com

收稿日期:2023 - 04 - 16

0 引言

剪瓷雕又称为剪黏,为中国福建南部地区、广东

潮汕地区、台湾地区寺庙建筑上的一种带有地域特色

的传统建筑的装饰技法,其以灰泥为坯体,挑选颜色

绚丽质地轻巧易于装饰的的彩瓷片为原料,并剪成形

状各异的瓷片,进而以造型与颜色搭配,黏贴出活灵

活现的造型,剪瓷雕涵盖了雕塑、陶瓷、绘画等多种手

法,既有民俗文化的精华,又体现中国传统艺术特征。

作为地方性特色非遗传统工艺,剪瓷雕对闽南宫庙的

建筑装饰起着至关重要的作用,以泉州地区代表寺庙

通淮关岳庙为例,对屋顶剪瓷雕装饰进行艺术特色与

蕴含的文化内涵进行研究,有利于了解闽南地区非遗

传统工艺建筑装饰,可以更深层次认识闽南的民间美

术,保护闽南地区特有的屋顶建筑特色,有利于对地

域文化传承和发展。

1 概况

福建省泉州市素有“此地古称佛国,满街都是圣

人”之称,这里信仰种类繁多,并有上千多座宗教与民

间信仰宫庙,在众多信仰中,关公的民间信仰发展最

快且独具特色,并分灵遍及东南亚和港澳台地区,台

湾关帝信仰源于此地,因此它也是联系两岸关系重要

精神纽带之一。

泉州通淮关岳庙位于鲤城区涂门街,建筑始建年

代不详。 但目前的考证记录文献最早为明代,最初主

祀为关羽,在明清两朝历经多次重修,并作记录。 在

明代时期关公信仰地位影响不断提高,关羽的封号也

从 “侯”到 “帝”进行转变。 在 1914 年,此庙增设岳

飞,即通淮关帝庙改名为通淮关岳庙,并沿用至今,体

现出人们希望借助武圣的神威平息灾难、平息祸难的

心理诉求,由此可见,关羽与岳飞忠义武孝的形象深

得民心。 该庙宇 1927 年重修,1986 再次进行全面整

修,其建筑面积 1294 m

2

,坐北朝南,并排为三义殿、武

成殿、崇先殿三座殿堂[1]

。 明清时期,闽南沿海地区

为陶瓷向外销售的主要出口,此时的剪瓷雕工艺发展

成熟并广泛运用到闽南寺庙的建筑屋顶装饰之上,通

2024 年 01 期 总第 307 期 王卓茜,孙 群,赵汉卿·泉州通淮关岳庙剪瓷雕装饰艺术特色与文化内涵探究 ·41·

淮关岳庙延续当地传统,屋顶恢弘华丽,气势磅礴,脊

饰活泼生动、热闹非凡,颜色缤纷多彩、华丽盎然,带

有鲜明的地域特征(图 1),堪称泉州地区之代表,展

现当地民间独有的建筑装饰艺术特色。 因此以泉州

通淮关岳庙建筑屋顶装饰为主要研究对象,通过田野

调查、文献查阅等方法研究,归纳其建筑屋顶特征与

文化内涵,对其装饰工艺特点与其特有的文化内涵等

进行分析,以丰富有关研究。

图 1 泉州通淮关岳庙屋顶装饰

2 通淮关岳庙剪瓷雕艺术特色

闽南地区的嵌瓷匠师具有中国传统建筑装饰中

全面的工艺能力,身兼泥塑、彩绘、戏曲、书法家等多

种才能,凭借自身审美与技艺基础,将简单的碎瓷瓷

料拼贴成活灵活现人物、珍奇异兽、新鲜的瓜果植物,

成为建筑本身最吸引眼球的精彩之处。 关岳庙屋顶

装饰工艺手法剪瓷雕独树一帜,具有造型立体生动、

颜色丰富多彩,题材五花八门的特点。

2. 1 造型生动层次鲜明

剪瓷雕工艺的主要手段为粘贴,表现在善于使用

点、线与块面的结合,在形似的基础上,神态进行剪瓷

的细致拼贴,利用点线与面的布置呈现层次的错落有

致,碎瓷片数量多,立体感十足。 剪瓷雕塑造形象立

体生动在于它的技法上,剪瓷雕的表现手法分为三种

形式,为平雕、半浮雕和圆雕。

装饰的平雕手法是直接在建筑上嵌瓷然后进行粘

贴,这种嵌瓷方式要注意整体的构图,镶嵌的主要为小巧

造型,用于关岳庙屋顶脊堵泥塑平面或剪黏人物的衣物、

面容、走兽平滑的身体或建筑块面上,或者各座大殿的戗

脊浪纹、卷草纹、回字样等线条造型上(图 2),其有点体

现在塑造造型平整并材料运用较少,整体性强。

图 2 回字纹卷草纹

半浮雕嵌入的雕片不完全平贴于灰泥上,而是利

用碗片本身的肌理弯度,让碗片突起,或让一些碗片

交叠分布,可看出两块瓷片间的层次分布,不遮挡后

面所表达内容,在立体表现上更为传神。 因此关岳庙

的半浮雕技法多运用于镶嵌护刹的龙身、脊堵的麒麟

与鱼类的鳞片、花卉花瓣、凤鸟躯干上层叠短羽(图

3)或是牌头立体人物的衣物等。

图 3 武成殿脊堵花鸟纹

圆雕四面可观,只有小部分瓷片嵌黏于胚体上,

技艺难度大是最耗费瓷片的镶嵌方式。 因其镶嵌特

点,此镶嵌方式主要表现飘逸灵动,体积小巧的物体,

例如关岳庙的龙鳍、鸟兽的羽翼等。

2. 2 颜色和谐对比强烈

通淮关岳庙位于泉州市中心鲤城区涂门街,环

境热闹非凡,其屋顶装饰颜色五彩缤纷为市区靓丽

的风景线。 闽南传统建筑的整体色彩选择上与当地

的自然物质资源密不可分,闽南地区的红色土壤十

分丰富,关岳庙屋顶的配色受当地资源与经济的影

响,在色彩上的呼应,犹如自然生长般和谐,砖瓦主

要以橙红色为主色调,是闽南传统建筑的主色调,体

现出当地人们豪放豁达、热情奔放地域性特点。

剪瓷雕其颜色的搭配富有美学对称理念,整体颜

色为一种对称平衡的填充搭配方式,色彩斑斓,繁而

不乱,呈现和谐稳定的形态特征。 在大色块的处理

上,关岳庙的颜色搭配呈现对称分布,在屋瓦暖色调

的基础上注重冷暖色对比,例如,关岳庙护刹蛟龙在

以翠绿色为主色调的基础上,龙鳍采用暖色调的橙色

进行装饰(图 4)。 脊堵采用海洋元素的深蓝色进行

点缀,在颜色细节处还有深浅变化层次丰富与屋面橙

黄色瓦片融为一体。 在牌头上的故事打斗的情节装

饰颜色也不例外,在背景为中黄色的基础上,人物衣

物点缀绿色与骑兽的蓝色四肢也有鲜明的对比(图

5)。 不仅如此,在脊堵的祥云装饰采用三色装饰,在

冷色调蓝色的基础上点缀红黄两色进行互补填色。

剪瓷雕装饰在对比色的运用上,冲击力强,虽色彩繁

杂,但乱中有序,使人感受更为强烈,整体刻画更加

鲜明。

关岳庙由于独特的自然环境、受传统文化思想的

影响,形成了当地独有鲜明的色彩风格,其屋顶的配

色也是传统文化的重要载体。 关岳庙屋顶色彩关系

·42· 福 建 建 筑 2024 年

总体而言具有鲜明热闹、对比色强烈,颜色和谐的特

点,反映出泉州地区色彩审美,也契合了闽南人们热

情豪放的性格特征。

图 4 武城殿护刹蛟龙

图 5 武成殿垂脊牌头

2. 3 题材丰富构思巧妙

剪瓷雕是闽南庙宇建筑屋顶装饰的主要工艺,工

匠在剪瓷雕的制作上,要对戏曲人物、古代的吉祥神

兽熟知,在进行定制主题之后,初步打磨以灰塑为胚

体塑造主观意向的动态形象,进而组合黏贴出多种形

象丰富、生动活泼的造型。 关岳庙剪瓷雕题材内容蕴

含中国传统文化象征与民族精神符号,其中包括代表

供奉神明的宝物、中国传统文化的历史故事、戏曲人

物、神仙典故、海洋图案等,如表 1 所示。

表 1 通淮关岳庙脊饰题材

大殿名称 三义殿 武成殿 崇先殿

脊刹 宝珠 宝珠 宝珠

护刹 蛟龙 蛟龙 蛟龙

脊堵

花卉、鸟雀、宝马

狮子、回形纹

蛟龙、葫芦、芭蕉扇

宝马、花卉、海浪

花卉、鸟雀、宝马

麒麟、回形纹

牌头 水浒梁山 八仙绣图 水浒梁山

奇珍异兽也是屋顶装饰的重要题材之一,屋顶

为建筑最高方位,因此往往会放置神兽与神仙人物,

泉州通淮关岳庙的护刹与脊堵上的题材为游龙、麒

麟、神兵天将等造型。 而运用最为广泛的当属中国

传统吉祥代表蛟龙的形象,古时房屋建筑木材易着

火,龙被视为雨水之灵兽,所以放置脊梁之上,以期

抑制火灾。 传统的戏曲题材与历史人物题材也常置

于屋顶装饰之上,例如关岳庙的建筑的牌头含有历

史故事情节的英雄豪杰互相打斗征战的场面,其中

还有“水浒梁山” “八仙绣图” (图 6 ~ 图 7)的场景。

其构图饱满神态各异,拼贴精细,突出人物特点姿态

万千呈现于屋顶之上。 不仅于此,泉州地区海上交

通发达,发展海产养殖与对外贸易,因此也深受海外

文化的影响,剪瓷雕装饰的细节之处多用海洋元素

为主要基本点缀,下方采用海浪翻滚进行搭配,活灵

活现动态十足,海洋具有流动,有容乃大的包容性,

体现了闽南人们依附海洋,尊崇海洋的心理。 在整

体审美上,无论是海浪柔和的曲线,还是屋顶向上之

势的燕尾脊都体现了海洋元素所借鉴的柔和装饰

之美。

图 6 三义殿牌头水浒梁山

图 7 武成殿牌头八仙绣图

在物像选择以自然、天人合一的场景中的形体为

基础注入主观的情感进行塑造,通淮关岳庙剪瓷雕的

屋顶装饰题材五花八门,均来自于中国传统文化,其

蕴含了传统美德与文明教义,是民族认同的传统装饰

符号。

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3 通淮关岳庙剪瓷雕文化内涵

3. 1 蕴含儒家等级秩序理念

唐宋时期,儒学自西汉武帝在百家文化中居于主

流的地位,其理念也视为中国核心价值体系[2]

,儒家

称关羽为关圣帝君,关羽是与孔子“文武两圣人” 之

武圣,关羽忠义的品质与儒家的伦理相辅相成,其富

含的儒家思想潜移默化地对世人进行文化的熏陶。

闽南地区的人们就已经形成中原、本土与外来交融的

具有多元文化特征的格局,呈现独特的地域文化色

彩,其历史背景让人们对关羽自身所蕴含的儒家教义

与民间的信俗文化有着极大的心理认同,也使得关帝

信俗在闽南深根常驻并经久不衰[3]

。 儒家思想在人

伦关系,认同等级尊卑次序,为“父子有亲,君臣有义,

夫妇有别,长幼有序,朋友有信”,建筑本身为人们的

精神产物,在建造与装饰上因此也体现其思想教义。

在通淮关岳庙剪瓷雕的装饰上,其中体现出儒家

等级观念特征,装饰繁盛程度与装饰的手法秩序井

然。 主殿武城殿剪瓷装饰最为繁盛,左右两侧的三义

殿与崇先殿相比略为简单,体现尊卑的顺序。 主殿武

城殿护刹装饰两对蛟龙的造型对称而立,似是争夺中

间脊刹宝珠之势,脊堵中央为黄色蛟龙立于惊涛骇浪

之中,头顶脊刹宝珠,面容怒目而睁,煞有气势。 其余

两殿脊刹虽同为宝珠,但武城殿宝珠体量较大,颜色

采用红黄渐变的手法,层次更为丰富,并下有蛟龙衬

托,而其余殿宇则是采用祥云代替。 主殿脊堵装饰与

其他大殿相比,题材更为多样,涵盖了宝物葫芦、芭蕉

扇等题材装饰,相比其他的大殿脊堵花鸟、珍奇异兽

等级更高。 对于牌头装饰,主殿武城殿与其他大殿也

有所不同,大殿牌头题材虽都八仙过海等神话题材,

但是正殿的四个牌头装饰,都为两人施法的场景画

面,故事情节丰富,画面整体,人物神态各不相同。 其

余大殿的牌头则为单个人物的骑行坐骑,左右牌头动

态十足。 从牌头的剪瓷雕装饰复杂程度也可看出殿

宇等级的高低,使屋顶整体展现出自然流畅具有节奏

的艺术美感。 因此在辨认主殿级别,观察剪瓷雕装饰

的内容与样式可做出判断,同时也反映了泉州人民对

儒家的道德观的认同[4]

。

3. 2 崇尚理学“正气”思想

孟子以养吾“浩然之气”视为人们提升自己道德

标准的有效途径,通淮关岳庙内存有宋代朱意手书的

“正气”牌匾,以彰扬关羽与岳飞内在品格,“正气”为

时代的所需要的价值观念,与传统的民族精神与爱国

精神密切相关。 《三国演义》 作者罗贯中,深受理学

思想熏陶,将关羽人格刻画忠、孝、义、廉、节等优秀品

质立体描绘[4]

,使得关羽作为历史人物其人格魅力与

富含理学的伦理观念深入人心。 通淮关岳庙剪瓷雕

的屋顶装饰题材蕴含了传统美德与文明教义,中华古

今文明获得文化认同的浓缩。

通淮关岳庙的“正气” 意蕴,在剪瓷的题材所反

映的文化内涵上,体现的淋漓尽致。 关岳庙延续当地

闽南庙宇传统,以传说故事与花卉动物图样为主题,

内容遵循人物关羽与岳飞所富含中国传统美德,题材

虽是传说故事与征战的景象,但带有“重情侠义” “智

仁勇武”的传统思想。 通淮关岳庙屋顶的武将剪瓷较

其余寺庙装饰较多,武城殿牌头以水浒传为主要的装

饰场景,根据《水浒传》等为故事模本,题材的表现以

历史宋代为背景,核心体现忠孝节义的思想,彰显侠

肝义胆崇武精神,具体的写实描述带有现实主义色

彩,为民间中广受欢迎并做为教化后代的题材。 奇珍

异兽也是屋顶装饰的重要题材之一,屋顶为建筑最高

方位因此往往会放置神兽与神仙人物,关岳庙的护刹

与脊堵上分布游龙、麒麟、鸟雀、战马等造型,而关岳

庙运用数量最为多的,当属中国传统吉祥的代表蛟

龙,在传统意义上,龙代表着朝气蓬勃、奋发向上的气

概,而龙经常出现在关公的衣物或与其一同塑像,其

形象多为叱刹风云、纵翻四海或盘踞周围,在剪瓷雕

上使建筑所体现关公具备正气勇猛精神的形象特征。

装饰题材巧妙采用神仙人物、珍奇异兽忠孝义节的历

史故事造型从而更能对屋顶建筑本身起到了内涵意

蕴美化的作用,烘托人们积极向上的价值观念,参拜

者观赏时也会从中受到心灵的升华。 通淮关岳庙剪

瓷雕存教化寓意功能,建筑装饰图样所传达的内容本

身作为一种潜移默化的教育,培养人们健康、正直、善

良的伦理道德观。

通淮关岳庙的剪瓷装饰题材极为丰富,作为信仰

中心,其具有教化他人、规范道德、安定秩序的作用,

不仅形式外观华丽蓬勃,题材内涵理学的“正气” 价

值观念,通过对剪瓷雕意蕴的阐释,不仅使关羽的人

格魅力与剪瓷所内含的理学伦理观念深入人心,其正

气的寓意也成为中国传统文化象征与民族精神符号。

3. 3 祈求神灵庇佑观念

人们之所以对关公与岳飞的信仰虔诚,在于对两

者的人格崇拜,与对把关羽与岳飞作为神灵的祈求,

而最主要目的是信者更多侍奉神灵作为精神寄托和

心灵慰藉。 闽南地区地貌复杂,在遭遇凶险求生,而

神灵是他们期望解脱苦难的希望所在[5]

,关羽作为民

间的万能之神,在闽南地区广受欢迎,他即是武神,又

是财神、商户的保护神,甚至自然求雨、祈愿生命安

危,驱鬼避难人们都有求于他。

在历史上,关羽善理财,讲义气,作为财富之神并

不少见,人们希望在自己的事业上蒸蒸日上,祈敬关

·44· 福 建 建 筑 2024 年

羽达到祈福和招财的效果。 而在通淮关岳庙的剪瓷

上,可看出关羽作为神灵,人们在其寄托庇佑的期望。

自古从诗文中,人们认为执掌财富神灵的居住之地乃

琼楼玉宇,富含珍奇异兽、花果相伴,所以工匠在制作

关岳庙的屋顶剪瓷雕装饰时,体现出精致华丽、热闹

威严的特点,营造浓郁的信仰氛围。 以此完整的打造

出富贵荣华的神仙居所。 通淮关岳庙作为人们精神

的载体其剪瓷雕装饰,营造了身为财神其居所的气势

磅礴与精彩哗然。 通淮关岳庙运用剪瓷雕本身瓷片

色彩鲜艳,展现空间层次之美,在技法交叉运用技法

拼贴立体,耐风吹日晒,且不易掉色,在装饰上气势恢

宏,所塑造的形象栩栩如生。 为使庙宇华丽出于其他

地区关帝庙,通淮关岳庙屋顶正脊与垂脊牌头,装饰

体量较大的武将,在细节之处点缀博古花卉,图纹样

式别出心裁,点缀富丽之色。

福建地区地理位置远离地方的权利统治中心,地

域环境复杂,先民在海上寻找生计的风险与不确定

性,十分需要宗教信仰作为精神支柱来满足心理寄

托,关羽历史上过五关、斩六将、走单骑,形象威风凛

凛,在世人眼中已视为保护神,满足人们传递歌功报

德、驱邪避难的诉求,因此通淮关岳庙是泉州精神密

不可分的场所,寺庙建筑服务于人们的虔诚信仰,在

兴建与其装饰上是被十分重视的。 关岳庙位于泉州

市井繁华之地,一栋建筑装饰引人注目当为其屋顶装

饰,对整个建筑的周围的环境也起到重要的作用,视

为泉州市的靓丽风景线,游客游玩会被房屋装饰吸引

并驻足此地参拜。 关岳庙剪粘各类纹样题材,以凸显

神灵权威。 如葫芦,作为道家的一种法器,可吸收天

地间之煞气;关岳庙屋顶牌头含有历史故事情节的英

雄豪杰互相打斗征战的场面,其构图饱满神态各异,

拼贴精细,突出人物特点姿态万千、威严庄重呈现于

屋顶之上,此类题材都具有有驱邪避难的作用。

3. 4 维系两岸工艺文化纽带

台湾百分之八十人口为闽粤移民而入,闽南地区

作为台湾的原移民属地,宗教与民间信仰分灵到当地,

由此带来了长久不断的宗教交往。 关羽在海峡两岸闽

南人所受的崇拜极高,是其余历史人物不可比拟的,根

据中国旅游局资料记载,泉州通淮关岳庙有关的台湾

关帝庙共有三百多座,目前为止,台南、鹿港等地区供

奉关岳庙为祖庙[6]

,例如建于永历年间的开基武庙,据

说此庙神像,是为郑成功部将从泉州关帝庙所请。

不仅如此,台湾庙宇建筑的材料、形制、功能与细

部装饰均衍传至当地,而台湾寺庙屋顶装饰剪瓷雕工

艺主要来自福建泉州地区,作为福建地区剪瓷雕的分

支原貌依存并在台湾创新发展得以延续。 台湾大多

关岳庙屋顶装饰剪瓷雕较为少见,而由通淮关岳庙分

灵的开基武庙沿袭祖庙传统,屋顶剪瓷雕装饰极为繁

盛,中间脊刹为云纹与宝珠,护刹题材仍同祖庙设有

“二龙戏珠”,脊尾皆上飞翘,代表了闽南地区民间信

仰的庙宇屋顶特征,在正脊牌头也为三国演义的片段

章节场景,栩栩如生体现剪瓷雕装饰的精彩之处。

近年来,在闽台两岸同根同源的民间艺术与关帝

文化信仰的密切交流中,加深了两岸人民之间的联系,

借以关公信仰的寺庙装饰艺术在交流中也不断深入,

由此维系或唤醒他们的故乡情怀。 了解非物质文化遗

产剪瓷雕的工艺手法,并且传承其蕴含文化内涵,不仅

延续中国传统工艺也保护两岸民族同根同源的历史文

化见证,剪瓷雕脊饰以地方特色风貌建立了闽台两地

乃至海外华侨人们对故乡文化的认同,是联系两岸民

族情感的重要纽带,承载着中华文化的装饰艺术。

4 结语

通淮关岳庙屋顶剪瓷雕装饰是闽南沿海地区先

民在漫长的历史先河与特殊的地域环境中所创造出

的财富,因关公信仰文化与其独特的地理位置,具有

独树一帜的艺术特色与文化内涵。 关岳庙剪瓷雕在

艺术特色上,具有造型立体、颜色丰富、题材多样的特

征。 在文化内涵上,关岳庙剪瓷雕装饰蕴含了儒家思

想,反映了世人“正气” 向上,憧憬美好的理念,以及

与对宗教的虔诚信仰,更重要的是,作为地方特色建

筑工艺,承传与联系中华两岸关系之纽带发挥着重大

的社会价值。 剪瓷雕作为传统建筑装饰,其内涵与工

艺是中国古建筑的灵魂,闽南地区因独特的历史、地

域与宗教人文环境相融合,历经无数想象与日积月累

的创作手法,成就中国传统带有地域特色的寺庙建筑

屋顶装饰工艺。

参 考 文 献

[1] 肖健美. 民间信仰宫庙的当代发展探究————以泉州通

淮关岳庙为例[J]. 文化遗产,2016(02):77 - 82.

[2] 苏秋婷,郑玉玲. 闽南关帝祭祀仪式的表演形态与文化

意涵———以泉州通淮关岳庙为例[ J]. 闽台文化研究,

2021(01):75 - 83.

[3] 吴晓峰. 关公信仰与儒学的关系探究[J]. 哈尔滨学院学

报,2012,33(09):101 - 105.

[4] 林振礼. 关帝信仰的理学文化蕴涵———关岳庙对“正

气”的崇拜传统[J]. 福建论坛(人文社会科学版),2012

(12):94 - 98.

[5] 王永志. 闽南、粤东、台湾庙宇屋顶装饰文化研究[D].

广州:华南理工大学,2014:20 - 24.

[6] 刘志军. 对于关公信仰的人类学分析[ J]. 民族研究,

2003(04):61 - 69.

2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

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田径体操训练馆建筑设计探析

吴晓敏

(天厦建筑设计(厦门)有限公司 福建厦门 361000)

摘 要:中国的体育事业,正在向体育强国的目标迈进,提高运动员的训练质量,至关重要。 训练馆作为运动员训练的

场所,是提高训练质量的基础。 以厦门市运动训练中心田径体操训练馆为例,通过分析其建筑设计过程和设计特点,

探讨一种田径体操训练馆的设计思路,旨在为同类型的田径体操训练馆提供设计借鉴,并为体育建筑设计提供设计思

路上的参考,从而创造更舒适和专业的训练环境,促进中国竞技体育的发展。

关键词: 训练馆;田径;体操;建筑设计

中图分类号:TU2 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0045 - 06

Analysis of the Architectural Design of Track and Field Gymnastics Training Hall

WU Xiaomin

(Tianxia architectural design ( Xiamen) Co. Ltd,Xiamen 361000)

Abstract:The sports industry in China is striving towards the goal of becoming a sports powerhouse, and improving the quality of athlete

training is crucial. Training Hall, as the place where athletes train, are the foundation for improving training quality. Taking the Xiamen

Sports Training Center Track and Field Gymnastics Training Hall as an example, analyzes its architectural design process and design features, and explores a design concept for an Track and Field Gymnastics Training Hall. The aim is to provide design inspiration for similar

Track and Field Gymnastics Training Hall, and to provide reference for sports building design, in order to create a more comfortable and

professional training environment and promote the development of competitive sports in China.

Keywords:Training hall; Track and field; Gymnastics; Architecture design

作者简介:吴晓敏(1989. 2— ),男,工程师。

E-mail:1003879736@ qq. com

收稿日期:2023 - 07 - 17

0 引言

2019 年 9 月,国务院办公厅印发《体育强国建设

纲要》,以习近平新时代中国特色社会主义思想为指

导,认真贯彻习近平总书记关于体育工作的重要论

述。 按照党中央、国务院关于加快推进体育强国建设

的决策部署,坚持以人为本、改革创新、依法治体、协

同联动,持续提升体育发展的质量和效益,大力推动

全民健身与全民健康深度融合,更好发挥举国体制与

市场机制相结合的重要作用,不断满足人民对美好生

活的需要,努力将体育建设成为中华民族伟大复兴的

标志性事业。

目前,人民群众对多元化体育需求不断增长,而

体育场所及设施的有效供给却无法满足需求。 在大

多数地区,体育中心场馆老旧,训练场地拥挤,场地面

积、高度及场馆布置均不符合项目训练要求。 在政策

的鼓励下,各地都在大力推进体育场所及设施建设。

因此,建筑设计师们迫切需要了解和学习各类体育建

筑的特点。

本文以厦门市运动训练中心田径体操训练馆的

为例,分析了田径训练、体操训练、蹦床训练的功能特

点。 从实际训练需求分析着手,确定建筑基本平面尺

寸,根据尺寸分析不同选址的特点及优缺点,再到平

面、造型、剖面的设计,分析了田径体操训练馆的一种

设计思路。

1 工程概况

厦门市运动训练中心位于厦门市同安区,北至

西洲路,南至同丙路,西至滨海二路,东至滨海西大

道。 项目周边交通四通八达,紧邻城市干道,易于人

流集散。 新建的田径体操训练馆位于厦门市运动训

练中心现有用地红线内,建筑占地面积约 6000 m

2

,

总建筑面积15 400 m

2

,其中地上建筑面积14 200 m

2

,

地下建筑面积1200 m

2

,层数2 层,建筑高度24 m。 配

建体操训练、蹦床训练及田径训练。 项目鸟瞰如图 1

所示。

·46· 福 建 建 筑 2024 年

图 1 项目鸟瞰效果图

2 训练需求分析

依据厦门市体育局、厦门市竞体中心田径队、厦

门市运动训练中心蹦床训练队、体操训练队的有关意

见。 对体操、蹦床、田径训练需求进行分析。

2. 1 体操、蹦床场地

体操队现有体操运动员人数 36 人,教练 6 人;蹦

床运动员 30 人,教练 3 人。 过去 5 年中,人数因受到

场地的限制,一直保持相对稳定,未来的人数增长预

测增加 10 ~ 20 人。 按照体操队和蹦床队的人数规模

及标准要求,为满足体操、蹦床项目的训练需求,参照

体操、蹦床项目的场地设施标准,体操馆和蹦床馆需

布置相应的场地设施、功能用房和设备用房等。 体

操、蹦床场地面积分别如表 1 ~ 表 2 所示。

表 1 体操场地面积

项目

场地面积

(含安全区)

海绵坑 合计 备注

自由操 37m × 20m 740 m

2

740 m

2 2 片场地

跳马 40m × 5m 200 m

2

40 m

2

240 m

2

单跳区 25m × 2m 50 m

2

50 m

2

长蹦床 25m × 3m 75 m

2

35 m

2

110 m

2

单杠

双杠

吊环

20m × 20m 400 m

2

125 m

2

525 m

2 男子器械

高低杠

平衡木

20m × 15m 300 m

2

125 m

2

425 m

2 女子器械

场地间及场地外围通道面积 810 m

2 含通道

合计 2900 m

2

表 2 蹦床场地面积

项目 场地面积(含安全区) 备注

蹦床 24m × 17. 5m 420 m

2 6 片场地

双蹦床 30m × 8m 240 m

2 2 套,含跑道

小圆蹦床 12m × 10m 120 m

2 2 套

充气蹦床 20m × 2m 40 m

2

蹦床坑 5. 5m × 9. 6m 53 m

2 2 套

海绵坑 12. 6m × 8m 100 m

2

教练台 15m × 3m 45 m

2

场地间及场地

外围通道面积

682 m

2 含通道

合计 1700 m

2

根据表 1 的体操场地面积布置体操训练场地,场

地总面积 2900 m

2

,体操场地布置如图 2 所示。

图 2 体操训练场地布置

根据表 2 的蹦床场地面积布置蹦床训练场地,场

地总面积 1700 m

2

,蹦床场地布置如图 3 所示。

图 3 蹦床训练场地布置

2. 2 田径场地

体育局要求田径部分应满足田径项目高水平训练、

小型田径赛事活动以及社会体育辅导等活动的需求。 田

径队现有运动员 140 人(专业运动员 4 人),教练员 13

人,预计2023 年运动员人数会增加至150 ~160 人。

按照目前中国田协室内田径项目的设项要求,共

设 26 个比赛项目,男子 13 项,女子 13 项。 具体设置

为,男子:60 米、400 米、800 米、1500 米、3000 米、60 米

跳栏、4 ×400 米接力、跳高、撑竿跳高、跳远、三级跳远、

铅球、七项全能;女子:60 米、400 米、800 米、1500 米、

3000 米、60 米跳栏、4 × 400 米接力、跳高、撑竿跳高、跳

远、三级跳远、铅球、五项全能。 室内田径场参照《田径

2024 年 01 期 总第 307 期 吴晓敏·田径体操训练馆建筑设计探析 ·47·

场地设施手册》,需布置有 200 m 椭圆形塑胶跑道场

地、100 m 直跑道、跳远跳高、撑杆跳、室内铅球、力量训

练等运动设施场地,室内田径场场地面积如表 3 所示。

表 3 田径场地面积

项目 场地面积(m

2

) 备注

田径训练场 4300 200 m 5 道塑胶跑道场地

通道及缓冲区 700

合计 5000

根据表 3 田径场地面积布置田径训练场,场地总

面积 5000 m

2

。 田径场地布置如图 4 所示。

图 4 田径场地布置

2. 3 配套功能用房

除田径、体操、蹦床主要功能外,仍需设置配套功

能用房。 配套功能用房面积如表 4 所示。

表 4 配套功能用房面积

位置 功能用房 数量 面积(m

2

)

一层

器材室 2 130

教练休息室 2 100

学员休息室 4 120

会议室 2 120

一层

更衣室(男女各 2 间) 4 60

淋浴室(男女各 2 间) 4 60

卫生间(男女各 2 间) 4 100

设备用房 5 280

一层夹层

力量训练房 1 680

更衣室(男女各 1 间) 2 30

淋浴室(男女各 1 间) 2 30

卫生间(男女各 1 间) 2 50

器材室 1 20

设备用房 2 150

二层

田径更衣(男女各 1 间) 2 40

田径淋浴(男女各 1 间) 2 30

会议室 1 60

器材室 1 130

力量训练房 1 180

休息室 2 100

二层

卫生间 1 40

设备用房 2 100

二层夹层 设备用房 2 130

合计 51 2630

2. 4 交通空间

功能房间排列好后,需设置门厅、通道、电梯楼梯

等交通空间,具体配置面积如表 5 所示。

表 5 交通空间面积

位置 数量 面积(m

2

)

一层

体操馆门厅 1 70

蹦床馆门厅 1 70

楼梯、电梯、通道 290

夹层及以上 楼梯、电梯、通道 1540

合计 1970

2. 5 其它需求分析

厦门市运动训练中心内配建有教学办公综合楼、

运动员公寓及食堂,可满足体操训练队及蹦床训练队

搬入后的食宿需求。

根据防空地下室防护标准相关管理规定,厦门市

运动训练中心内原有建筑的防空地下室已满足要求。

本期新建增加计容面积,需配建一个核 6、常 6 级的二

等人员掩蔽所,建筑面积 1200 m

2

。 平时为设备用房、

力量训练房和器材室等配套用房。

2. 6 训练需求分析结果

经上述分析可知,拟建厦门市运动训练中心田径

体操训练馆项目,总建筑面积为 15 400 m

2

,其中训练

馆占地面积约 6000 m

2

,体操训练场地 2900 m

2

、蹦床

训练场地 1700 m

2

、田径训练场地 5000 m

2

、配套功能

用房 2630 m

2

( 含 860 m

2 力量训练房)、交通空间

1970 m

2

、地下室 1200 m

2

。

3 选址方案比较

厦门市运动训练中心总占地面积约 19. 6 万 m

2

,

已建成建筑面积约 8 万 m

2

。 其中包括可容纳 2600

名观众的综合体育馆、羽毛乒乓球馆、射击馆、举重重

竞技馆、游泳跳水馆、射箭场附属用房、室外田径场及

其附属用房,以及教学楼、宿舍楼及食堂等文化学习

及后勤设施。

本次新建训练馆的位置,应尽可能减少对已建建

筑的影响。 根据训练需求分析结果,本项目首层尺寸

约为 110 m × 55 m,占地面积 6000 m

2

。 经分析,足够

容纳首层尺寸的场地有 3 块,分 3 个方案进行分析。

3. 1 选址方案一

该选址位于训练中心西南部,位于重竞技场馆南

侧,占用网球场地、绿化山丘和射箭场地。 总平面位

置详图 5 所示。

特点分析:根据《体育建筑设计规范》

[3]

,室外射箭

场的长轴宜南北向布置。 长轴南偏东宜小于 20°,南偏

·48· 福 建 建 筑 2024 年

西宜小于 10°。 国内小型比赛一般要求至少 50 条箭

道,受用地限制,目前训练中心射箭场设置了 20 条箭

道,只能勉强举办厦门市级的部分比赛,主要为日常训

练使用,而且必须满足箭道长度和周边危险区的要求。

此外,须设明显标志,严禁通行,继续减少箭道无法满

足日常训练的需求,射箭区面积已不存在缩减的可能。

图 5 方案一总平面位置

优点:射箭场与田径馆均南北向布置,两项目平

行,总体较为规整。

缺点:经过调整位置,发现体育馆会占用东侧道

路,而且与旁边教学楼间隔不满足《建筑设计防火规

范》(GB50016—2014)

[1]消防防火间距的规定。

3. 2 选址方案二

该选址位于训练中心西北部,现状射击馆南侧,

占用室外篮球场及停车场。 总平面位置如图 6 所示。

特点分析:场地满足规划退线、日照、间距、消防要

求,场地下面为园区管线,无市政管线。 本方案将占用

车位 144 个,9 m

2 化粪池一座,DN300 雨水管 170 m,

DN200 污水管 70 m,消防给水管道 160 m,市政给水管

道 390 m,喷淋供水管道 55 m;需恢复占用的 6 片篮球

场;南侧道路被占用需迁移,共 166 m。

优点:用地面积较大,周围间距均符合要求,施工

空间充足。

图 6 方案 2 总平面位置

缺点:根据《厦门市体育设施规划(2019—2035)》,

运动训练中心应满足地区或国家单项比赛的要求。

射击馆每年均会举办厦门市及省级射击比赛,综合

训练馆现为羽毛球超级联赛厦门特房羽毛球俱乐部

的主场(2000 坐席) ,每赛季至少进行 16 轮联赛。

该选址区域(现状为停车场)主要满足赛时转播、安

防、消防通道和观众疏散的需求。 且为赛会期间观

众、技术官员以及运动员的主要停车区域,特别是运

动员大巴,中心内其他场地很难满足大型车辆的停放

要求。 距离射击馆较近,并配有专业枪弹库,存在安

全隐患,赛时需进行枪支管制保护。 若选址于该位

置,中心将无法举行赛事。 另外,管线、道路改造工程

量较大。

3. 3 选址方案三

该选址位于训练中心西南部,位于重竞技场馆南

侧。 总平面位置如图 7 所示。

特点分析:场地满足规划退线、日照、间距、消防

要求,场地下面为园区管线,无市政管线。 建筑距射

箭场地较近,平面较为局促。 为集约使用土地,采用

使用面积较大的田径馆设置于二层的方案,但造成二

层投影会占用园区原有道路,因此,后期需将道路向

东偏移,避开新建训练馆,共 70 m。 消防给水管道、

市政给水管道、喷淋供水管道各 65 m。

2024 年 01 期 总第 307 期 吴晓敏·田径体操训练馆建筑设计探析 ·49·

图 7 方案三总平面位置

优点:距离教学楼、宿舍较近,地下管线少,施工

难度较低、改造工程量小。

缺点:用地局促,施工空间小。

3. 4 选址方案比较结果

综合以上分析,可从以下几个方面进行比较。 首

先,规划条件和消防要求方面,方案一不可行,方案

二、方案三均可行,可排除方案一。 其次,改造工程量

方面,方案二涉及地下管线改造 845 m、化粪池 1 座,

迁移园区道路 166 m 等;方案三涉及地下管线改造

195 m,迁移园区道路 70 m,苗木迁移费用等。 第三,

改造投资方面,方案二预计增加改造投资 470 余万

元,方案三预计增加改造投资 150 余万元。 第四,施

工影响方面,方案二施工期间将影响射击馆、综合馆

两馆的停车和赛事组织,无法满足射击馆、综合训练

馆的赛事要求;方案三影响射箭场的使用,需要在施

工期间临时解决射箭训练的场地, 其他场馆不受

影响。

经比较,方案二、方案三均符合规划条件要求;方

案二场地充足,施工容易展开,总体改造工作量和投

资相对较高,施工期间将影响周边两座场馆;方案三

平面局促,改造工程量和投资相对较低,只对射箭场

地有影响,施工难度较低。 经各方确定方案三为本项

目最终选址。

4 平面设计

本方案平面设计在保证功能和空间相对完整的

基础上,以“回” 形交通系统贯穿整个建筑。 人流进

入大厅后,通过大厅的楼梯都能找到所要到达的各层

场地。

人防地下室平时为设备机房、器材室和力量训练

室,战时为 6 级甲类二等人员掩蔽所。

一层主要布置有蹦床馆和体操馆;蹦床馆主要布

置有蹦床、双蹦床、充气蹦床、小圆单蹦床、教练员台

等场地设施和功能用房;体操馆主要布置有自由操、

跳马、单杠、双杠、高低杠、吊环等场地设施。一层平

面图如图 8 所示。

图 8 一层平面图

二层主要布置有 200 m 塑胶跑道场地、跳远跳

高、撑杆跳等运动设施及会议室、教练室、田径更衣室

和设备用房等。 二层平面图如图 9 所示。

图 9 二层平面图

一层夹层主要布置有更衣室、卫生间、力量训练

室;二层夹层主要布置小部分设备用房。一层、二层

夹层平面图分别如图 10 ~ 图 11 所示。

·50· 福 建 建 筑 2024 年

图 10 一层夹层平面图

图 11 二层夹层平面图

5 造型设计

结合周边既有建筑风格,立面造型力图体现现代体

育建筑特有的简洁、大气等风格特征。 其与学校主体育

馆遥相对应的位置,注定其要以一种包容的姿态来面对。

立面造型处理采用减法处理,通过在一个纯净的

立方体中,消减出一个建筑的主要交通空间,营造一

个面向校园师生的玻璃入口,引导师生进入训练馆大

厅。 此造型以一种“包容” 的姿态,体现刚柔相济的

总体形象,象征着刚与柔、实与虚、动与静的碰撞。

结合田径训练馆训练特点,在田径训练馆的二层

四周采用遮阳板,经日照光线入射角计算,遮阳板呈

45°角依次排列,防止西晒,保证自然采光通风。 透视

图如图 12 所示。

图 12 田径体操训练馆透视图

6 剖面设计

训练馆主入口布置在北侧,东西各有一个次入

口,分 担 人 流, 避 免 拥 挤。 建 筑 一 层 总 长 度 只 有

110 m,为了能够布置二层室内的 200 m 运动塑胶跑

道,建筑结合室外挑廊,解决消防疏散问题,于是向东

西两侧共延伸 10 m,一方面可作为东西侧的房间,一

方面也可以满足 200 m 跑道的要求。 为了保证训练

馆在 24 m 结构限高之内,同时保证体操和蹦床馆高

度不小于 10 m,田径场高度不小于 10 m,因此一层为

蹦床场地、体操场地采用 12. 2 m 层高,二层田径场地

采用 11. 65 m 层高等大空间进行排列布置。 因空间

跨度大,在田径训练馆屋顶中间设计采光通风天窗,

形成较好的通风采光效果[2]

。 由于对净高要求高,且

中间无柱子导致跨度均较大,一层结构采用钢骨框架

柱 + 钢骨框架梁方案,二层结构采用钢骨框架柱 + 空

间网架方案,剖面关系如图 13 所示。

图 13 田径体操训练馆剖面图

7 结语

本项目建设能完善厦门市运动训练中心的现有

功能,提升训练中心体育基础设施水平,为运动员提

供高质量、高标准的运动训练场地。 对提高城市知名

度、扩大城市影响力,带动竞技体育运动和后备人才

培养有着积极的意义。 在体育建筑设计中,应当充分

考虑具体的体育项目,根据项目的特点进行布置和组

合,以创造更为舒适和专业的训练环境,促进中国竞

技体育事业的发展。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑设计防火规范

(2018 年版):GB50016—2014[ S]. 北京:中国计划出版

社,2018.

[2] 《建筑设计资料集(第三版)》第 6 分册建筑专题[ S]. 北

京:中国建筑工业出版社,2017.

[3] 中华人民共和国建设部国家体育局. 体育建筑设计规范:

JGJ31—2003[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2003.

2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

Vol·307

高密度环境下中小学创新集约化设计研究

———以柳州市文博小学为例

李建成

(上海同砚建筑规划设计有限公司 上海 200083)

摘 要:随着城市化的不断发展,城市高密度环境下的中小学校园,面临着用地紧凑集约化与空间创新化发展的双重

趋势。 文章从创新教育理念出发,分析城市中小学校园的“集约复合”与“空间创新”设计策略,以便在城市高密度条

件下创造空间丰富、开放灵活、满足创新教育体制要求的校园空间,并通过柳州市文博小学项目实际案例,分析具体的

应用措施,希望对高密度环境下的中小学校园空间设计有所启发。

关键词: 高密度;中小学;创新集约化;文博小学

中图分类号:TU2 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0051 - 06

Research on the Innovative and Intensive Design for Primary and Secondary Schools

in a High Density Environment

———Taking Liuzhou Wenbo Primary School as an Example

LI Jiancheng

(Shanghai Tongyan Architectural Planning and Design Co. ,Ltd. ,Shanghai 200083)

Abstract:With the continuous development of urbanization,primary and secondary school campuses in high - density urban environments

are facing a dual trend of compact and intensive land use and innovative spatial development. Starting from the concept of innovative education,the article elaborates on the \" intensive and composite\" and \" spatial innovation\" design strategies of urban primary and secondary

school campuses,in order to create campus spaces that are rich,open,flexible,and meet the requirements of innovative education system

under high - density urban conditions. Through the actual case analysis of the Liuzhou Wenbo Primary School project,specific application

measures are analyzed,hoping to provide inspiration for the design of campus spaces in high - density environments.

Keywords:High density; Primary and secondary schools; Intensification of innovation; Wenbo primary cchool

作者简介:李建成(1976. 06— ),男,高级工程师,一级注册建筑师。

E-mail:402223767@ qq. com

收稿日期:2023 - 10 - 11

0 引言

随着城市化的深入发展,高密度环境下的中小学

建筑,如何在既有规范的制约下,实现教育模式的创

新和空间的集约,成为亟待解决的问题。 本文从创新

教育理念与校园空间集约化设计相结合的角度展开

论述,以实际案例论述高密度环境下中小学校园创新

集约化设计理论的实践意义。

1 城市发展与教育建筑现状

目前,中国的城市化进程已由整体快速扩张进入

到集约精细化发展的“二次城市化”阶段[1]

。 在城市

居住人口激增的影响下,中小学校的生源负荷逐年加

大。 高密度城市环境带来校园空间的集约化发展;与

此同时,学校教育本身随着当前社会与技术的高速发

展,也在不断创新、发展,中小学建筑走高密度环境下

创新集约化发展路径,是必然的选择。

2 创新教育理念与教学空间的结合要求

当今信息技术革命方兴未艾,原来以应试教育为

主的教育制度难以适应当前发展需求。 因此,学校教

育制度和教学模式需要进行有针对性的创新和发展,

同时作为教学载体的教学空间,也需要相应的进行调

整和变革。 目前,在中小学教育领域提倡创新形式、

实践导向和多学科多元化的学习创新形式[2]

;在教学

空间上提倡多样化、多情景、生动活泼的教学空间,为

素质教育提供空间载体。

3 高密度开发与教育空间创新的结合点

由以上分析可以知晓,目前的城市中小学建筑面

临着城市用地紧凑集约化发展和教育模式和教学空

间创新转变的双重挑战。 通过对教育建筑集约化和

教育空间创新化的需求分析,以及对国内外先进的中

小学教育建筑案例的研究,未来创新集约化的中小学

校园的发展趋势有如下特点。

3. 1 集中式的学校建筑

学校整体采用集中式的规划布局,集中式有利于用

·52· 福 建 建 筑 2024 年

地的节约,建筑空间具有比较明显的功能集约复合化倾

向———教学、阅览、实验、办公、餐饮、体育等功能相对集

中,空间高度复合,交通联系和功能组织更加便捷。

3. 2 高效灵活的教学模式及空间使用

目前正在兴起的“走班制”教学模式影响下,“教

室”空间作为通用标准单元,可以统筹给各个学科使

用;“教室” 空间从单一使用方式转变为复合多功能

用途转变———“多学科” “多情境” 的使用模式,成为

教学空间发展的方向。

3. 3 功能化、共享型的交通空间

在“集中式” 规划布局引导下,交通空间被重新

定义,可以复合多种功能,课间休息、交流、展览和多

学科的开放学习在交通空间展开,成为教室学习空间

的一部分,正契合了创新教育理念中创新形式的学习

趋势。

3. 4 多维度的外部空间

集中式的规划布局,使学校的外部空间得到了释

放;同时,建筑的外部空间以空中庭院、屋顶绿化平台

的方式呈现,增大了师生到达室外活动场地的便捷

性,使各个楼层的师生都能方便快捷的到达室外开展

活动与交流。

综上,高密度的集约化与教育空间的创新在空间

组织和使用上存在着高度统一、相辅相成的需求。

4 校园空间创新集约化设计策略

4. 1 总体规划布局创新集约化设计策略

在有限的用地条件下,要实现校园空间集约化设

计,首先要在校园规划布局上创新布局模式,使得规

划布局有利于创新教育空间的营造和实现[3]

。

(1)连续线性式布局

该类型布局方式不同于传统校园的“ 独栋” 和

“连廊”形式的总体布局,通过将各个功能区组织成

连续的线性式整体,各功能区之间通过多样的交通空

间相连,形成紧密联系,加强了各年级、不同班级和师

生的交流与学习,营造了连续、统一的建筑立面形式,

节约了校园用地。

(2)围合院落式布局

该类型是教学建筑围绕庭院空间布置的一种布

局方式,这类校园室外活动空间的核心是内院空间,

操场依然布置在地面层,与连续线性式布局相比,可

以进行内院空间与教学区的联通形成便捷的室外活

动场所是这种布局方式的优势。

(3)垂直立体式布局

该类型是建筑物中不同属性的功能区域在垂直

方向上堆叠,这种布局充分利用了空间的垂直尺寸,

具有空间紧凑集中、土地利用率高的特点。 垂直立体

式布局根据所需空间的公共性和私密性,占用人数和

房间数对功能空间进行分类布局,地上空间从下至上

可分为四个功能层:公共辅助层、空中活动层、教学单

元层和屋顶活动层[4]

。 公共辅助层一般位于一楼至

二楼;公共辅助层的二楼及以上层可以局部架空,用

作空中活动层,以扩展学生的活动场地,同时提供阅

读、展示、聚会、学习和交流的场所,该功能层还可以

缩短师生从教室到空中活动场所的交通时间,从而使

某些活动不必触及地面。

4. 2 平面功能布局创新集约化设计策略

在高密度中小学校园当中,受有限用地及空间的挤

压,不同平面功能和需求类似平面功能相互碰撞,发生有

机融合,从而实现平面功能布局的集约复合。 平面功能

布局的集约复合,有助于提高平面功能空间的使用效率。

(1)教学功能平面布局

在集约化的模式下,教学空间是设计的重点。 教

学空间以最大教学要求的空间尺寸为标准模块,通过

室内多样化的教学模式和家具的移动调整,呈现出多

种教学场景;同时,教室之间引入可移动隔墙,使教学

空间增大了灵活可变性,节约了用地。

(2)交通功能平面布局

交通空间作为开放空间,可以集约复合多种平面

功能,让平面功能空间的界线变为动态和模糊,使空

间展现更丰富的趣味性。 交通功能空间的集约复合,

可使学生和老师可以在不同的空间情景下交流学习,

促进了师生关系的融洽;为学生提供了近距离的课间

休息活动场所,提高了交通空间的利用率。

(3)平面功能竖向布局

基本思路,就是将建筑的功能在竖向上进行重新

组合和布局。 该项设计策略可以提高建筑容积率,获

得更多的建筑空间。

叠加模式:即增加建筑的层数,以达到空间拓展

的目的。

架空模式:就是指建筑实体架空底层空间减少占

地面积,或者在建筑底层,通过建筑空间悬挑,以达到

不占地面空间的模式。 通过架空底层地面,可以有效

增加校园开放空间的面积,达到提升校园空间质量的

效果。

空中模式:即为空中的人工场地。 在高密度的用

地条件下,校园的绿地面积普遍不足,学生的活动场

地也面临空间被挤压的情况。 因此,发展空中庭院和

屋顶绿化平台,是增加室外绿化和活动空间的必然选

择;空中的室外活动空间与教学区相接,便于学生就

近进行课间休息和活动。

地下模式:在高密度环境下的校园内,用地条件紧

张,教育建筑的地上发展空间有限,需要挖掘用地潜能,

适度开发利用地下空间,使用地资源得到充分利用。 由

于地下空间较难解决采光通风问题,需要选择适合的功

2024 年 01 期 总第 307 期 李建成·高密度环境下中小学创新集约化设计研究 ·53·

能空间布置在地下,同时还需要考虑地下空间与地上空

间功能联系的紧密程度。 地下空间一般采用下沉庭院、

采光天井和采光天窗等方式解决采光通风问题。 此外特

别要解决好地下功能空间的消防与疏散问题。

(4)平面功能空间社区共享

中小学校园部分功能空间对社区开放共享,有利

于节约用地资源,避免空间浪费;还可以为学校分摊

管理成本,为学生提供丰富多元的交流环境。 对社区

开放的空间,主要指的是体育馆、运动场、游泳馆、图

书馆等功能空间的共享。

4. 3 空间创新设计策略

在提倡素质教育的背景下,教学空间的组合模式

也在不断变化,以适应创新教育的要求。 同时,教学

空间要营造多样化学习和讨论的空间,注重空间的创

新性和校园氛围的活力提升。

(1)教学空间的组合变化

传统学校的功能布局,教师办公与学生教室各自

独立,相隔距离较远,不利于教师与学生的交流。 因

此,将教师管理室与相对应的学生教室成组紧邻布

置,便于教师对学生心理的管理与交流。

(2)室外空间的亲近性

对于高密度校园环境,需要在高密度的优势中营

造接近地面环境的景观空间和活动场所,以避免高密

度环境下,长期脱离地面对学生心理的不利影响。

(3)校园空间的个性与特色

校园空间的个性与特色,是在因地制宜的基础上

创造更具趣味性的空间,以适应孩子的天性,激发孩

子们的创造力[5]

。 基本因素,是需要根据场地的自然

条件和基地文脉的影响,来创造独具特色的校园

空间。

5 柳州文博小学项目实例

5. 1 项目概况

柳州市文博小学项目位于广西省柳州市独凳山

片区,莲花山以南,龙光莲花青庭小区以北。 基地南

低北高,呈现典型的山地特征,如图 1 所示。

图 1 项目区位图

本项目用地面积为 19 832. 09 m

2

,总建筑面积为

24 453. 14 m

2

,容积率 1. 18。 主体教学建筑最高为地

上 6 层,局部设地下一层体育馆和设备用房,整体建

筑高度不超过 24 m。

5. 2 项目设计理念

本项目建设用地异常紧张,项目本身需要在紧张

的用地情况下,营造创新教育空间的挑战。 整个校园

以“微缩立体花园” 为设计主题,契合柳州山水城市

的定位。 总体规划设计通过一系列连续而高低错落

的平台及花园,来构建校园的整体有机、丰富的活动

空间。 多维立体的视线,渗透营造了多姿多彩的院落

空间,契合教育建筑的特征与城市文脉。

5. 3 项目总体规划布局

5. 3. 1 总体功能布局

校园室外运动场地位于基地东南侧,减少了道路

交叉口车行噪音和居民区对教学建筑的干扰;建筑主

体位于西侧,主体采用连续线性成“ S + L”型布局,由

南至北依次设置 1#楼综合楼、2#楼教学楼及 3#楼学

生午休间(图 2)。 为打破线性空间的单一性、避免单

向走廊的交通较低利用率,设计采用在“ S” “L”型的

西侧和东侧增加专业教室和共享连廊空间,与“ S +

L”型主楼围合成前、中、后三个围合庭院,共享连廊串

通三栋主楼,整体上形成一个教学综合体;教学综合

体在一、二层线性空间局部开敞与下沉庭院、室外连

廊和屋顶相通,形成立体化、丰富多彩的室内外休息、

交流空间,如图 3 所示。

图 2 总平面图

竖向功能布局上,1#楼和 2#楼分三个功能层:底

层为公共辅助层,包含报告厅、图书馆、风雨操场、自

行车库和设备房间;中部主要为教学功能层,包含普

通教室和各类专业教室,顶部主要为活动室和行政管

理房间;3#楼分为两个功能层,底部为厨房和餐厅,上

部为学生午休间,如图 8(a) ~ 图 8(b)所示。 建筑西

侧与东侧专业教室和共享连廊为三层,层数较低,为

·54· 福 建 建 筑 2024 年

主体教学楼和学生午休间采光通风创造条件,满足日

照采光与建筑间距要求。 校园总体规划布局综合了

连续线性、围合院落和垂直立体式布局方式,整体功

能集约有序,释放出更多校园活力空间如图 3 ~ 图 4

所示。

图 3 功能分析图

图 4 总体鸟瞰效果图

5. 3. 2 总体交通组织

校园内采用人车分流方式。 校园东南侧为人行

主出入口,设置家长等候广场;东北侧次入口主要为

车行出入口,机动车进入校园后可直接到达停车区。

场地内沿建筑主体周边形成消防车环路,非机动车沿

北侧道路通过西北侧的非机动车坡道,进入 2#楼底

部的非机动车库。 校园西侧用地规划为校园预留二

期建设用地,临时用作社会停车场,其中西南角停车

场为学生家长停车区,与主入口广场紧邻;校园内部

停车场为教职工停车,节约了校园停车用地;交通组

织充分体现以人为本,集约高效的原则。

5. 4 项目空间创新集约化设计

5. 4. 1 平面功能布局

(1)教学功能平面布局

普通教室按最大教学和活动需求的空间尺寸为

标准模块,通过家具的移动调整、组合,营造室内多样

化的教学模式和教学场景。 普通教室之间设置轻质

可移动隔墙,使教学空间可分可合、灵活多变,适应不

同教学空间要求,充分节约用地资源。

作为学校空间较大的报告厅、餐厅也可以根据使

用需求,灵活开展多种教学、汇报、演出等活动。

(2)交通功能平面布局

项目的入口空间:南侧 1#楼教学楼底层采用架

空方式,创造了入口集散广场和家长等候的活动空间

(图 5);入口广场连接着报告厅的入口和人行大台

阶,大台阶与相连的共享连廊串联连通了各教学功能

区、学生午休间和庭院广场,起到了空间多功能集约

复合使用的作用,如图 3 和图 6 所示。

图 5 主入口架空效果图

图 6 主入口大台阶效果图

外廊设计:教学楼外廊采用线性环形环通,连接

了休息平台、屋顶露台;外廊空间局部放大,创造了学

生课间休息、交流的学习空间,如图 7 所示。

室外平台、连廊:与教学区环通,学生在课间可以

直接到达;连廊空间尺度放大,可以进行多样的教学

活动和休息,室内外的距离被拉近,拓展了室内教学

空间。 外廊、连廊、平台和庭院空间在不同的标高,营

造了不同层次、开放的视线交流,激发了开展多样活

动的可能,如图 7 所示。

(3)平面功能竖向布局

叠加模式:中小学规范规定,各类小学的主要教

学用房不应设在四层以上。 本项目充分利用多层建

筑高度不大于 24 m 的规范要求,1#楼五层布置行政

管理用房; 2#楼五、六层布置学生活动室和教师会议

室等,如图 8 所示。

2024 年 01 期 总第 307 期 李建成·高密度环境下中小学创新集约化设计研究 ·55·

架空模式:本项目的建设用地非常紧张,难以满

足设置专门形象入口空间的条件。 针对这一情况,设

计将南侧 1#楼底层局部架空,成为具有标志性、视线

开敞的活力空间;2#楼底层局部架空为风雨操场,与

东侧体育场相连,使得地面层的公共空间得到了最大

程度上的开放,如图 8 所示。

1. 体育馆 2. 下沉庭院 3. 设备房间 4. 主入口 5. 接待室 6. 图书馆 7. 报告厅 8. 音乐教室 9. 舞蹈教室 10. 风雨操场

11. 劳技教室 12. 上空 13. 自行车库 14. 卫生间 15. 架空连廊 16. 厨房 17. 餐厅 18. 外走廊 19. 美术教室 20. 室外活动

21. 科学实验 22. 标本室 23. 普通教室 24. 教师管理 25. 饮水间 26. 门厅 27. 行政管理 28. 午休间 29. 计算机室

30. 语言教室 31. 阶梯看台 32. 录播教室 33. 活动室

(a)地下一层平面图 (b)一层平面图 (c)二层平面图 (d)三层平面图

图 7 平面图

空中模式:本项目利用报告厅屋顶、半地下体育馆

屋顶和西侧专业教室屋顶形成多平台的屋顶绿化活动场

地。 空中活动平台规避了地面层活动场所与教学区距离

较远、通行时间较长的劣势,部分平台直接面对着教学班

级,学生可在课后直接到室外平台进行活动,大大提高了

空中平台的利用率,如图8 ~图9 所示。

(a)1 - 1 剖面图 (b)2 - 2 剖面图

图 8 剖面图

地下模式:项目在 1#楼与 2#楼围合的内庭院下

方设计了半地下体育馆,半地下体育馆通过设置屋顶

采光天窗和下沉庭院,满足了空间的采光和通风要

求,减少了地上空间的占用,提高了用地的资源利用

率如图 7(a)、图 8 ~ 图 9 所示。

(4)平面功能空间社区共享

本项目中,校园可利用错时和节假日向公众开放

室内体育馆和室外运动场;校园外部人员通过东北侧

次出入口出入,可以减少对学校教学区的影响。

5. 4. 2 空间创新化设计

(1)教学空间的组合变化

传统学校的功能布局,教师办公与学生教室各自

独立,相隔距离较远,不利于教师与学生的交流。 项

目将教师管理室与相对应的学生教室成组布置,便于

教师对学生的管理与交流。 此外,将公共会议室、行

政管理室集中设置,便于提高效率;节约了校园用地,

如图 7(b) ~ (d)所示。

(2)室外空间的亲近性

对于高密度校园环境,需要在高密度的优势中营

造接近地面环境的景观空间和活动场所,以避免高密

度环境下长期脱离地面对学生心理的不利影响。 项

目在校园不同标高的入口广场、室外平台、屋顶平台

和围合内院、下沉庭院内设计了微缩立体花园, 使小

学生在不同标高均能紧密结合教学空间,亲近自然。

·56· 福 建 建 筑 2024 年

在主入口大台阶和各级连廊、室外台阶上,也间隔布

置了绿化花坛,使交通空间兼有休息、交流和亲近自

然的机会,如图 9 ~ 图 10 所示。

图 9 沿运动场鸟瞰效果图

图 10 中部内庭院效果图

(3)校园空间的个性与特色

地形条件:场地处在高差较大的山地中,总体地

势东南低西北高,最大高差接近 19 m。 结合场地地

形和地势,将场地分为 3 个台地,分别为校园主出入

口广场、室外运动场和场地北侧道路。 室外运动场标

高与建筑首层标高相同,作为建筑高度的室外参照标

高;北侧道路与建筑一层屋顶平台标高相近,可直接

平入屋顶平台;整体竖向布局形成双首层的教育综合

体样式,具有鲜明的空间个性和特色。 沿建筑东侧设

置长条形台阶与东侧的室外运动场相接;与二层的室

外连廊一起,可作为室外运动场的看台使用,弥补了

高密度下的校园场地紧张,没有空间设计运动场看台

的缺陷,如图 11 ~ 图 12 所示。

图 11 竖向分析图

图 12 沿运动场透视效果图

气候条件:当地属于亚热带季风气候,夏季高温

多雨。 主体教学楼采用外廊式设计,建筑总体布局成

“S + L”型,在东、西向都留有较大开口;在建筑西立

面,结合饮水间留有较大的立面洞口,为建筑创造了

良好的自然通风条件,如图 7(b) ~ 7(d)所示。

文脉影响:拥有文化传承的校园建筑的形式并非

是传统建筑元素的堆砌表达,而是顺应基地地形、地

势来延续地方文脉,并保留城市的场所特性[6]

。 本项

目作为新建小学建筑,并无太多的校园记忆需要传

承,校园建筑温柔地植入自然山体地形景观,顺应山

势的婉转曲折,安静谦和地栖息于山水之间。 建筑屋

顶采用半坡屋顶,建筑与围合的庭院空间,高低错落、

委婉曲折、虚实掩映,绿意盎然,呼应了尊重基地文脉

的在地性设计,如图 4、图 9 及图 12 所示。

6 结语

城市高密度环境下,中小学校园的用地趋于紧

张,教育体制和模式也在发生深刻的转变。 创新集约

化的设计策略,不仅是对高密度中小学校园建设策略

的解答,也是对创新教育模式和空间要求的回应。 面

向未来,中小学创新集约化设计策略只有不断创新和

发展,才能适应教育发展的需求,创造出更多具有空

间集约化、高品质的中小学建筑。

图片来源

图 1 ~ 图 6、图 9 ~ 图 12:作者及项目团队绘制;

图 7 ~ 图 8:作者自绘。

参 考 文 献

[1] 周玫红. 从策动到行动———“福田新校园行动计划”机制创

新的回溯与反思[J]. 建筑学报,2021(03):1 -9.

[2] 房舟. “集约”之下的“创新”———基于高密度环境与创

新理念下的城市中小学建筑设计[ J]. 建筑与文化,

2019,11(188):136 - 139.

[3] 倪绍焜,张海燕,陈烨. 城市高密度环境下的中小学设计

策略研究[J]. 住宅与房地产,2020(07):90 - 91.

[4] 刘宇文. 深圳市小学集约化设计策略研究[D]. 广州:华

南理工大学,2020.

[5] 姚乃鼎,卢小兰,周徐旭. 城市高密度环境下中小学空间

一体化设计策略研究———以西安市为例[ J]. 居舍,2020

(07):90 - 91.

[6] 应倩,陈建,严雪姣. 超级校园的在地性设计———径山高

级中学项目设计启示[J]. 城市建筑,2023(06):84 - 86.

2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

Vol·307

某大型钢结构会议中心超限结构设计探析

游 昕

(建发房地产集团有限公司 上海 200082)

摘 要:主要分析探讨某大型会议中心的超限结构设计重难点。 该工程为 27. 6 m 高的钢框架 - 空间大跨钢桁架结

构,存在扭转不规则、楼板不连续、穿层柱等超限不规则情况,属超限高层建筑。 为此,针对不规则情况采取了措施:利

用两个不同的软件进行小震弹性对比分析和关键构件的中震和大震验算;进行了弹性时程分析和静力弹塑性分析;对

大开洞周边楼板进行了小震弹性、中震及大震不屈服分析,对大跨和大悬挑区域进行了挠度和舒适度验算,对钢桁架

屋盖及两侧吊挂系统进行了施工顺序优化分析。 上述分析和探讨,有效地保证了结构的整体安全性,实现了预定的抗

震性能目标。

关键词: 超限高层建筑;性能化设计;楼板应力分析;静力弹塑性分析

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0057 - 07

Anslysis on Over - Limit Structure Design of A Large Steel Structure Conference Center

YOU Xin

(C&D Real Estate Group Co. ,Ltd,Shanghai 200082)

Abstract:This paper mainly introduces the structural design of a large conference center. The project is a high - level steel - frame structure with a height of 27. 6m and large - span spatial truss. It has irregular torsion, lots of floor slabs missing, and skip - floor columns. It

belongs to the over - limit high - rise building. The following measures are taken for irregularities: A comparative analysis of structure elasticity under frequently occurred earthquakes is made based on two different software. The capacity checking under precautionary earthquakes and rare earthquakes of key members is carried out. Analysis of elastic dynamic time - history and pushover have been taken, and

the deflection and comfort of the large - span and big cantilever beams are calculated. The construction analysis of steel truss roof and two

- side hanging system is optimized. The above analysis effectively guarantees the overall safety of the structure and achieves the predetermined seismic performance goals.

Keywords:Over - limit high - rise building; Performance - based seismic design; Floor stress analysis; Pushover analysis

作者简介:游昕(1991. 2— ),男,工程师。

E-mail:1002768024@ qq. com

收稿日期:2023 - 05 - 27

0 引言

随着建筑设计水平的飞速发展,更多复杂的钢结

构被运用到大型公共建筑的设计中来。 本文详细分

析探讨某大型钢框架 - 空间钢桁架超限结构的设计

要点,包含结构中大震分析、大跨及大悬挑分析、钢桁

架屋面施工顺序优化分析等重难点,可为类似结构设

计提供借鉴与指导。

1 工程简介

会议中心地上建筑面积 30 234 m

2

。 会议中心为

地上四层,地下一层。 结构总高度 27. 6 m,其中一层

层高 6. 5 m,二层层高 7. 5 m,三层宴会厅层高 13 m

(至桁架底),大会堂层高为 22. 7 m(至桁架底,建筑

平剖面如图 1 ~ 图 2 所示),其余层高 4. 7 m。 平面柱

网为 154. 4 m × 98. 2 m。 建筑效果图如图 3 所示。

图 1 建筑总平面图

·58· 福 建 建 筑 2024 年

图 2 建筑剖面图

图 3 建筑效果图

本工程建筑结构安全等级为一级,设计使用年

限和设计基准期均为 50 年,抗震设防烈度为 7 度

(0. 10 g),设计地震分组第一组,场地类别为Ⅲ类

(Tg = 0. 45 s)。抗震设防类别为重点设防类,结构重

要性系数 1. 1,耐火等级为一级。 基本风压按 50 年一

遇取值,为 0. 45 kN/ m

2

。

2 结构布置情况

本工程结合建筑功能对大空间的需求和用地规

划对装配式建筑的要求,采用了钢框架 - 空间大跨钢

桁架结构体系,主要分析钢框架部分的结构分析过

程。 整体地上结构模型的轴测图如图 4 所示。

图 4 结构模型(带屋盖)轴测图

按相关规范[1 - 2]

,主体钢框架梁、柱抗震等级为

三级(局部二级),地下室混凝土梁、柱(或钢骨柱)抗

震等级为三级,构造等级为二级。

主体钢框架钢材采用 Q355B ~ Q390B;地下墙柱

混凝土等级为 C35 ~ C40;地面以上叠合板采用 C30,

地面以下梁板采用 C35。

主体钢框架柱截面为□600 × 600 ~ □1200 × 900,

Φ700 ~ Φ800;钢框架梁截面 HN600 × 200 ~ H2000 × 600,

非框架梁截面 HN300 × 150 ~ HN900 × 300。 板厚在正负

零为180 ~250 mm;2F ~屋面为120 mm ~150 mm。

结构屋面为空间三角钢桁架,桁架整体高度为 4 m

(两侧悬挑端高 5 m),中部最大跨度为 47. 6 m,桁架两

侧悬挑最大跨度 18. 7 m。 同时,屋面桁架南北两侧

均设置钢吊柱连接下部入口,且为幕墙提供侧向支

点。 结构体系拆分图如图 5 所示,结构典型平面和剖

面图如图 6 ~ 图 7 所示。

图 5 结构体系构成图

图 6 结构典型平面

图 7 结构典型剖面

3 结构超限情况判断及对策

本工程不存在特别不规则超限项,但存在三项一

般不规则的超限项:(1) 扭转不规则:考虑偶然偏心

的扭转位移比 X 向 1. 23,Y 向 1. 33,均大于 1. 2;(2)

楼板不连续:2F ~ 3F 间看台处存在错层,2F、3F 楼板

有效宽度为 27. 7% ,4F 楼板有效宽度为 20% ,有效宽

2024 年 01 期 总第 307 期 游 昕·某大型钢结构会议中心超限结构设计探析 ·59·

度不足 50% ;(3)含有穿层柱:12 轴、18 轴在 3F 楼面

至桁架底存在穿层柱。 故根据现行规范、国家超限高

层的相关文件和参考说明[3 - 4]

,本工程属于超限高层

建筑结构。

对此,采取如下措施对结构予以复核及加强:

(1)针对扭转不规则,适当加强边梁高度,提高结构

的抗扭刚度,提升平面质量中心与刚度中心的重合

性;(2)针对 2F ~ 4F 的部分楼板缺失造成楼板不连

续,适当加大本层及上一层的板厚,板厚取 150 mm;

采用有限元对楼板进行小震、中震及大震应力分析,

根据应力分析结果,加强应力较大区域的板厚及配筋

(小震时混凝土不开裂,中震时钢筋不屈服),并适当

加大洞口周边梁截面尺寸和配筋,保证楼板薄弱部位

水平力的可靠传递;(3)仔细复核跃层柱的计算长度

系数,并考虑柱 p - δ 效应,适当增强柱截面;(4)大悬

挑处适当加大悬挑梁截面;考虑竖向地震作用,进行

舒适度验算;(5) 根据规范抗震性能设计的有关内

容[2]

,性能化设计目标定为 C 级。 定义所有框架柱含

跃层柱、大悬挑/ 大跨梁为关键构件,确保关键构件在

多遇地震下为弹性;设防地震下关键构件受弯不屈

服,受剪弹性,其中跃层柱受弯受剪弹性;所有关键构

件在罕遇地震下受剪不屈服;(6)采用 YJK 以外的另

一种计算原理的软件(如 MIDAS)进行小震复核;(7)

补充进行弹性时程分析,并取包络设计;(8) 进行罕

遇地震下的静力弹塑性计算,根据塑性铰发展规律,

寻找结构薄弱点予以加强,确保大震不倒。

4 结构分析与计算

4. 1 小震弹性计算

主体结构采用 YJK(V2. 0. 3 版),进行振型分解

反应谱法计算分析和构件设计;采用 Midas Building

(2020V2. 1) ,输入相同条件,进行小震复核考虑偶然

偏心、双向地震及竖向地震作用,采用 CQC 法进行振

型组合。 主要结果如表 1 所示。

表 1 两个软件小震计算结果对比

主要指标 参数 YJK MIDAS

周期/ s

T1 1. 54 1. 49

T2 1. 47 1. 40

Tt 1. 36 1. 32

Tt / T1 0. 88 0. 89

地震作用最大

层间位移角

X 1 / 725 1 / 692

Y 1 / 560 1 / 494

风荷载最大

层间位移角

X 1 / 2942 1 / 2571

Y 1 / 1526 1 / 1208

续表

主要指标 参数 YJK MIDAS

多遇地震作用下

扭转位移比

X 1. 23 1. 2516

Y 1. 33 1. 346

重力荷载代表值/ kN 39249. 2 38280. 6

剪重比

X 2. 72% 2. 67%

Y 2. 45% 2. 67%

刚度比

X 0. 73 0. 99

Y 0. 71 0. 83

抗剪承载力比

X 1. 01 0. 8756

Y 1. 01 0. 8591

最小刚重比

X 25. 107 29. 90

Y 22. 132 23. 75

由表 1 可见:(1)两种软件计算结构扭转为主的

第一周期,与平动为主的第一周期之比小于 0. 9,且

对应周期相差均在 5% 以内,满足要求;(2)地震和风

荷载作用下,两种软件计算得到的最大层间位移角基

本接近;由于梁柱截面主要由性能设计及大跨大悬挑

受力所需的应力比控制,整体结构侧向位移小于一般

钢结构,且均小于规范限值 1 / 250;(3)结构的位移比

超过 1. 20,但最大扭转位移比均未超过 1. 40;(4)地

震作用下,两种软件计算的重力荷载代表值相差很

小,约为 2. 5% ,且剪重比均满足相关规范要求的最

小地震剪力系数 1. 60% ;(5)各层刚度均大于其相邻

上一层侧移刚度 70% ,或其相邻上三层平均侧移刚

度 80% ,满足要求;(6)各层受剪承载力均大于其相

邻上层的 80% ,满足要求;(7)结构沿两个方向的最

小刚重比均大于 5,满足高钢规[2]

6. 1. 7 条要求;(8)

各结构主要指标的两种程序计算结果相似度高,说明

小震计算可信。

4. 2 弹性时程分析

根据相关规范[5]的要求,选用合适的 5 组实际强

震记录的天然波和 2 组人工波,来模拟加速度时程曲

线,如表 2 所示。

表 2 地震波动参数

地震波名 性质编号 有效持时/ s

Chi - Chi,Taiwan - 06_NO_3291 天然波 1 42. 2 > 5T1 = 7. 76

Chi - Chi,Taiwan - 05_NO_2961 天然波 2 31. 5 > 5T1 = 7. 76

Chi - Chi,Taiwan - 04_NO_2715 天然波 3 29. 8 > 5T1 = 7. 76

Chi - Chi,Taiwan - 02_NO_2165 天然波 4 42. 3 > 5T1 = 7. 76

Big Bear - 01_NO_907 天然波 5 48. 2 > 5T1 = 7. 76

ArtWave - RH2TG045 人工波 1 16. 9 > 5T1 = 7. 76

ArtWave - RH3TG045 人工波 2 17. 0 > 5T1 = 7. 76

·60· 福 建 建 筑 2024 年

计算结果如表 3 和图 8 所示。

表 3 底部剪力对比(弹性时程分析与 CQC)

分析工况 参数/ 单位

0°(x 方向) 90°(y 方向)

基底剪力/ kN V/ V0 基底剪力/ kN V/ V0

天然波 1

天然波 2

天然波 3

天然波 4

天然波 5

人工波 1

人工波 2

平均值

V/ kN

7690. 782 71% 7553. 608 78%

10670. 288 99% 9931. 062 103%

10709. 515 100% 9168. 203 95%

8960. 078 83% 7289. 839 75%

11786. 343 110% 9717. 242 101%

11229. 458 105% 10757. 987 111%

8417. 08 78% 7358. 518 76%

9923. 364 92% 8825. 208 91%

CQC V0 / kN 10682. 654 - 9614. 825 -

图 8 规范谱与反应谱对比图

由 3 表及图 8 可见:弹性时程的 7 条波与 CQC 的

结果差异均在 30% 以内,平均值与 CQC 的结果差异

均在 20% 以内,两者计算结果基本吻合,按时程分析

法的平均值和反应谱法的较大值进行构件设计。

4. 3 开洞楼板应力分析

2F ~ 4F 由于建筑功能需要,存在楼板大开洞。

为保证楼板缺失层水平地震力的可靠传递,将楼板厚

度加至 150 mm,根据分析结果进行配筋。 全楼楼板

定义为弹性膜,对 2F ~ 4F 楼板进行应力分析。 现将

最大楼板应力图展示如图 9 ~ 图 10 所示。

图 9 小震最大应力:2 层楼板 Y 向最大主拉应力/ MPa

图 10 中震最大应力: 2 层楼板 X 向最大主拉应力/ MPa

计算结果显示,小震下 2F、3F、4F 最大楼板应力

出现在 2F(Y 向)。 除局部楼板角点及洞口边缘应力

集中处(1. 20 MPa) 外,大部分洞边楼板拉应力较小

(0. 10 MPa),均低于楼板混凝土抗拉强度设计值

(2. 01 MPa),含大开洞各层均能够满足小震不开裂的

目标。 施工图设计时增设放射筋来考虑应力集中;中

震下,楼板最大应力出现在 2F 的 Y 向(2. 90 MPa),将

对应楼板的附加钢筋设为双层双向直径 10@ 150,即能

满足中震不屈服的目标。

4. 4 跃层柱计算长度复核

由于建筑功能的需要,12 轴和18 轴的3F 到屋面

楼面之间,由于大开洞导致存在跃层柱,跃层高度

9. 65 m,如图 11 所示。

图 11 跃层柱布置图

计算模型和步骤如下:采用盈建科的屈曲分析模

块进行整体分析,如实考虑楼面梁对外框柱约束的贡

献(图 12),在模型中提取一阶屈曲模态对应的临界

欧拉力后,通过下式得到跃层柱计算长度系数:

μ = π/ l EI/ Ncr

跃层柱对应的计算结果如表 4 所示。

2024 年 01 期 总第 307 期 游 昕·某大型钢结构会议中心超限结构设计探析 ·61·

图 12 3F 跃层柱计算模型(局部)和有限元屈曲

分析结果(一阶屈曲模态)

表 4 跃层柱计算长度

屈曲

方向

截面

尺寸

/ m

几何

长度

L / m

Ncr

/ kN

计算长

度系数

μ0

理论长

细比

YJK

长细比

长细比

限值

平面外 800 × 600 9. 65 307120 0. 7235 56. 3 79. 2 80

从表 4 可以看出,各跃层柱的长细比,小于规范

的限值要求。 可见,跃层柱的实际计算长度,均小于

规范限值要求。 计算模型中跃层柱的计算长度按照

规范取值,是偏于安全的。

4. 5 大悬挑及大跨处楼板舒适度及挠度验算

悬挑较大处的楼盖分布如图 13 所示。 2F 布置有

悬挑长度为 6. 0 m 与 10. 0 m 的悬挑梁,3F 布置有悬挑

长度为 10. 4 m 的悬臂梁,4F 布置有悬挑长度 6. 0 m 的

悬臂梁,以及 2F ~ 3F 层间布置悬挑长度为 10. 5 m 的

看台悬臂梁。

大跨度处楼盖分布如图 14 所示。 2F、3F 东侧布置

有18. 8 m ~21 m 大跨、3F 南北侧布置有38. 5 m 大跨。

图 13 大悬臂处楼盖的竖向振动结果

图 14 大跨处楼盖的竖向振动结果

大悬臂和大跨处楼盖结构应具有适宜的舒适度。

根据高规[5] 附录 A 计算其竖向振动加速度,并验算

挠度,将结果统计如表 5 ~ 表 6 所示。

表 5 楼板舒适度验算

位置及类型

楼盖结构竖向

自振频率/ Hz

楼盖振动峰值

加速度/ m/ s

2

2F 10m 悬臂处楼盖 4. 28 0. 013

2F 6m 悬臂处楼盖 4. 91 0. 029

3F 10. 4m 悬臂处楼盖 2. 86 0. 019

4F 6m 悬臂处 5. 32 0. 013

2F ~ 3F 10. 5m 看台悬臂处楼盖 3. 33 0. 008

2F、3F 18. 8 ~ 21m 大跨处楼盖 4. 2 0. 008

3F 38. 5m 大跨处楼盖 3. 45 0. 005

表 6 挠度验算

位置及类型

(恒载 + 活载标准值下)

挠度/ 跨度

规范

限值

2F 10m 悬臂处楼盖 1 / 572 1 / 400

2F 6m 悬臂处楼盖 1 / 704 1 / 400

3F 10. 4m 悬臂处楼盖 1 / 410 1 / 400

4F 6m 悬臂处 1 / 938 1 / 400

2F ~ 3F 10. 5m 看台悬臂处楼盖 1 / 596 1 / 400

2F、3F 18. 8 ~ 21m 大跨处楼盖 1 / 865 1 / 400

3F 38. 5m 大跨处楼盖 1 / 770 1 / 400

计算得到楼盖振动的最大峰值加速度为0. 029 m/ s

2

,

小于高规[5] 表 3. 7. 7 中的加速度限值 0. 05 m / s

2

,满

足要求。 挠度验算亦均小于规范限值要求。

4. 6 静力弹塑性分析

根据规范的静力推覆法要求,采用 YJK 软件进行

静力弹塑性分析:计算出结构的性能点,加载方式分

别选用弹性 CQC 和倒三角两种,加载方向分别沿结

构 ± X 向及 ± Y 向。 推覆分析模型配筋按实际计算

配筋,并考虑结构 P - △效应,计算大震弹塑性最大

层间位移角,判定结构在大震作用下的非弹性变形是

否在规定的范围内,以免倒塌,达到“大震不倒”的设

防目标;在构件层面,由塑性铰的分布情况,对相应结

构薄弱部位采取适当加强措施。

·62· 福 建 建 筑 2024 年

采用 YJK 程序计算时,根据构件破坏的不同程度,

定义塑性铰发展的7 个阶段,如图15 所示。 其中 B 铰为

构件从弹性进入屈服的临界状态,IO、LS 和 CP 铰为构件

在屈服阶段,其承载能力无明显减小,但变形不断增大。

当构件出现 C、D 铰,该点承载力下降,退出工作。

图 15 塑性铰破坏参数定义

根据软件对塑性铰参数的定义,将 ± X、 ± Y 个方

向推覆过程的塑性铰的开展情况描述于表 7 中。 X、

Y 方向正负加载情况经复核相似,合并描述(括号内

为负方向情况)。 对应每一个关键加载步结构的典型

塑性铰分布图如图 16 ~ 图 21 所示。

表 7 塑性铰开展过程(弹性 CQC 加载为例)

加载步 塑性发展状况

最大层间

位移角

X

方

向

15(10)

梁端出现首批批塑性铰。

首批塑性铰全出现在梁上,为 IO 和 CP

阶段, 楼 层 为 2F。 柱 未 出 现 塑 性 铰。

(如图 16)

1 / 366

(1 / 312)

20(12)

梁端塑性铰继续发展。

各层均有分布,但大跨及大悬挑梁端部

未出现,梁端铰均为 IO 和 CP 阶段。 柱

端开始出现塑性铰,在 2F,皆为 IO 阶

段。 (如图 17)

1 / 229

(1 / 231)

22(13)

性能点对应加载。

梁端塑性铰全面开展,多数较出现在靠

近中部的位置,各楼层梁端铰破坏状态

都为 IO 和 CP 阶段。

只有局部很少的柱端出现塑性铰,皆为 IO

阶段,未出现更严重损伤。 值得注意的是,

在大跨和看台大悬挑处相连的柱端没有出

现塑性铰,由大开洞引起的单跨柱未同时

两颗柱一起出铰,保证了结构局部低冗余

度区域的安全性。 (如图18)

1 / 188

(1 / 186)

Y

方

向

22(10)

梁端出现首批批塑性铰。

首批塑性铰出现在梁上,为 IO 和 CP 阶段,

楼层为2F。 柱未出现塑性铰。 (如图19)

1 / 245

(1 / 296)

26(11)

梁端塑性铰发展较为完全。

各层均有分布,梁端铰均为 IO 和 CP 阶

段。 柱未出现塑性铰。 (如图 20)

1 / 184

(1 / 218)

27(12)

性能点对应加载步。

梁端塑性铰全面开展,分布分散,各楼层

梁端铰破坏状态都为 IO 和 CP 阶段。

只有局部很少(3F 两颗) 的柱端出现塑

性铰,皆为 IO 阶段,未出现更严重损伤。

值得注意的是,在大跨和看台大悬挑处

相连的柱端没有出现塑性铰,由大开洞

引起的单跨柱未同时两颗柱一起出铰,

很好地保证了结构局部低冗余度区域的

安全性。 (如图 21)

1 / 176

(1 / 176)

图 16 正 X 向第 15 步(负 X 向第 10 步),首批塑性铰出现

图17 正 X 向第20 步(负 X 向第12 步),梁端塑性铰持续发展

图 18 正负 X 向性能点,梁端塑性铰发展充分,部分柱

出现塑性铰

图 19 正 Y 向第 22 步(负 Y 向第 10 步),首批塑性铰出现

图 20 正 Y 向第 26 步(负 Y 向第 11 步),梁端塑性铰持

图 21 正负 Y 向性能点,梁端塑性铰发展充分,部分柱

出现塑性铰

2024 年 01 期 总第 307 期 游 昕·某大型钢结构会议中心超限结构设计探析 ·63·

由推覆过程中塑性铰的开展情况可知,耗能构件的

破坏先于竖向构件和关键构件构件,达到耗散地震能量

的作用。 大震作用下,各结构构件的破坏顺序符合预定

目标,整体结构具备足够的延性;结构的层间位移角满足

规范要求,保证了“大震不倒”的性能目标要求。

5 钢桁架屋盖及异形幕墙吊挂系统分析

本会议中心屋面由 12 榀单向的空间三角主桁架

构成,中部跨度为 41 m ~ 46. 2 m,两端悬挑跨度为

7. 6 m ~ 21. 8 m。 桁架间布置钢梁、次桁架用于传递

下挂荷载和屋面荷载,局部布交叉支撑起稳定拉结作

用(图 22)。 在屋面的南北两侧下挂承担侧向幕墙和

入口重量的吊柱(图 23),故设置两道空间三角钢桁

架作为边桁架。 主桁架,次桁架,边桁架,钢梁和屋面

交叉支撑共同形成一个稳定的屋盖系统。

图 22 钢桁架屋盖平面图

图 23 南北两侧幕墙吊挂系统正侧视图

由于钢桁架屋盖和吊柱整体建模并同时受力时,

吊柱将在屋盖自重下由拉弯构件变成压弯构件,屋盖

变形将对吊柱结构构件本身和幕墙构件产生过大的

次内力,受力状况不利。 现考虑施工顺序,使屋面在

自重变形稳定后再安装异形幕墙吊挂系统,既能释放

相当大的位移量,又极大地减少屋盖钢桁架传递给吊

柱的次生内力。 利用 3D3S 施工过程计算功能,可以

实现如下三阶段组装顺序结构分析:

阶段一:先将钢桁架屋盖组装在钢框架上,仅施

加屋盖恒载和施工活载。

阶段二:拼装异形幕墙吊挂系统,仅施加异形幕

墙吊挂部分的恒载和施工活载。

阶段三:移除施工活载,把吊挂活载、风、温度、地

震等荷载或作用施加在整体模型,计算正常使用状态。

经设定合理的施工顺序,最大程度减小了屋盖变

形对两侧吊挂系统的次生内力。 三阶段内,整体最大

变形比 1 / 264(边桁架中部,如图 24 所示),最大应力

比 0. 9(主桁架腹杆,如图 25 所示);桁架悬挑端最大

变形量 1 / 286,根部应力比 0. 75;大跨桁架中部变形

1 / 581,应力比 0. 58;吊挂系统最大变形 1 / 267,最大

应力比 0. 89。 屋盖和异形幕墙吊挂系统的截面符合

安全、经济原则,整体满足恒活载、风载和小震水平和

竖向地震作用下的强度、变形要求。

图 24 三阶段(1 - 3 阶段从左至右)应力比云图

图 25 三阶段(1 - 3 阶段从左至右)变形云图/ mm

6 结语

本会议中心为超限高层建筑,根据结构不规则情

况,设定了与建筑本身相匹配的较合理的抗震性能目标。

在结构设计中,针对不规则情况和程度,采用了合适的分

析和对比手段,对结构薄弱部位采取了适当的加强措施,

同时对复杂屋盖和吊挂结构进行了考虑施工顺序的优化

设计,在整体结构上实现了预定的抗震性能目标。

参 考 文 献

[1] 广东省住房和城乡建设厅. 建筑地基基础设计规范:

DBJ15—31—2016[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2016.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层民用建筑钢结

构技术规程:JGJ99—2015 [ S]. 北京:中国建筑工业出

版社,2015.

[3] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质

〔2015〕67 号[A]. 北京:中华人民共和国住房和城乡建

设部,2015.

[4] 朱炳寅. 建筑结构设计问答及分析[M]. 北京:中国建筑

工业出版社,2013.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层建筑混凝土结

构设计规程:JGJ3—2010[ S]. 北京:中国建筑工业出版

社,2010.

2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

Vol·307

某地震重点监视防御区学校结构设计探究

李 雄 彭肇才 唐金龙

(广东现代建筑设计与顾问有限公司 深圳 518010)

摘 要:根据地震重点监视防御区学校结构抗震设计要求,采取提高抗震性能目标水准进行抗震设计加强。 分析探索

孝德学校新建综合楼结构抗震性能设计、竖向体型收进、斜柱、局部转换等不规则项结构设计方法。 结果表明,采取提

高抗震性能目标水准后,各项计算指标均满足规范要求,结构具有足够的安全冗余度。

关键词: 少墙框 - 剪结构;性能设计;体型收进;斜柱;局部转换

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0064 - 07

Researcn on Structural design of School in Key Area for Earthquake Monitoring and Defense

LI Xiong PENG Zhaocai TANG Jinlong

(Guangdong Modern Architectural Design & Consulting Co. ,Ltd. ,Shenzhen 518010)

Abstract:According to the seismic design requirements of the school structure in the key earthquake monitoring and defense area, seismic

strengthening is carried out by improving the target level of seismic performance. An analysis and exploration were conducted on the seismic

performance design of the new comprehensive building structure of Xiaode School, as well as the design methods for irregular structures

such as vertical shape retraction, inclined columns, and local conversions. The results indicate that after adopting the goal level of improving seismic performance, all calculation indicators meet the requirements of the specifications, and the structure has sufficient safety redundancy.

Keywords:Frame - shear wall structure with few walls; Performance design; Set - back; Inclined column; Local transfer

作者简介:李雄(1985— ),男,工程师。

E-mail:416366281@ qq. com

收稿日期:2023 - 06 - 21

0 引言

基于地震重点监视防御区学校建筑抗震设计要

求[1]

,以及相关震害调查资料[2 - 3]

,考虑到本项目为

学校类建筑,结合二道防线设计考虑,采用框架 - 剪

力墙结构方案,并采用提高性能目标水准进行抗震设

计加强。 本文通过某不规则少墙框剪结构项目实例,

详细分析其竖向体型收进、斜柱、局部转换等不规则

项结构设计方法,可为同行提供借鉴参考。

1 工程概况

本项目为新安街道孝德学校综合楼新建工程,用

地面积 2. 59 万 m

2

,总建筑面积约 1. 31 万 m

2

。 拟建

场地位于深圳市宝安区新安街道,东侧为在建玺玥华

府,西侧为校内足球场,北侧隔怡园路为怡合花园,南

侧临华联城市全景。

综合楼不设计地下室,地面以上 12 层,首层带局部

夹层,整体平面呈三角形布置,其中两直边地下室外露;

从室外地面最低点起算结构总高度为 48. 2 m,A 级高度

高层建筑;其中 1 层层高 3. 88 m、1 层夹层层高 5 m、2

层架空层层高 5. 1 m、3 层 ~ 5 层层高3. 9 m、6 层层高

4. 5 m、7 层 ~ 12 层层高 3. 0 m。 采用框架 - 剪力墙结

构体系,嵌固端设置在基础顶。 建筑总平面图如图 1 所

示,建筑效果图如图2 所示,建筑立面图如图3 所示。

图 1 建筑总平面图

图 2 建筑效果图

2024 年 01 期 总第 307 期 李 雄,彭肇才,唐金龙·某地震重点监视防御区学校结构设计探究 ·65·

图 3 建筑立面图

本项目风荷载按照《建筑结构荷载规范》 (DBJ

15 - 101—2014)

[4] 要求,基本风压 0. 75 kN/ m

2

,地面

粗糙度 C 类。 抗震设防烈度 7 度,设计基本地震加速

度 0. 10 g,设计地震分组第一组,场地类别Ⅱ类,建筑

结构抗震设防类别为乙类[5]

。 结构设计使用年限为

50 年,结构安全等级为一级。

2 结构体系

2. 1 抗侧力体系

基于建筑综合楼功能需求与结构计算指标综合

考虑,结合低区主入口建筑倾斜立面造型及报告厅大

开间尺寸要求特点,本项目采用框架 - 剪力墙结构体

系方案,由剪力墙、框支框架、斜柱提供承重和抗侧力

结构功能。 结构整体计算模型如图 4 所示。

图 4 结构模型示意图

2. 2 结构布置图

根据综合楼低区教学区和高区教师宿舍区不同

使用功能要求,选择梁板式结构楼盖布置形式,结构

平面、剖面布置如图 5 ~ 图 7 所示。

图 5 低区结构平面图 图 6 高区结构平面图

图 7 剖面示意图

3 结构超限类别与抗震性能目标

3. 1 结构超限类别

根据《住房城乡建设部关于印发 < 超限高层建筑

工程抗震设防专项审查技术要点 > 的通知》 (建质

(2015)67 号)

[6]及《高层建筑混凝土结构技术规程》

(JGJ 3—2010)

[7]

(下文简称“高规”)的有关条文,对

结构进行超限程度判别。 本项目采用框 - 剪结构体

系,存在结构扭转不规则、竖向尺寸突变、斜柱、局部

转换等不规则项,属于 A 级高度的超限高层建筑。

3. 2 抗震性能目标

根据《建设工程抗震管理条例》 (中华人民共和

国国务院令第 744 号公布,自 2021 年 9 月 1 日起施

行),及广东省住房和城乡建设厅《关于贯彻落实 <

建设工程抗震管理条例 > 加强房屋建筑和市政基础

设施工程抗震管理的通知》,针对地震重点监视防御

区新建学校要求,本项目拟采用提高抗震性能目标措

施,结构抗震性能目标定为 B 级,抗震性能水准分别

为“1、2、4”,各构件的抗震性能目标如表 1 所示。 其

中,关键构件为底部加强区剪力墙、框架柱、框支框

架、斜柱、与斜柱倾斜平面内拉结的框架梁。

表 1 构件抗震性能目标

地震烈度 多遇地震 设防地震 罕遇地震

抗震性能水准 性能 1 性能 2 性能 4

层间位移角限值 1 / 1000 1 / 500 1 / 100

关键构件 弹性 弹性

压弯可屈服

抗剪不屈服

普通竖向构件 弹性 弹性

压弯可屈服

抗剪不屈服

框架梁 弹性

抗弯不屈服

抗剪弹性

抗弯可屈服

抗剪不屈服

连梁 弹性

抗弯不屈服

抗剪弹性

中度损坏

节点 弹性设计 中震弹性 不屈服

·66· 福 建 建 筑 2024 年

4 地震作用分析

4. 1 多遇地震(小震)分析

小震分析考虑 0°、48°两个不同结构抗侧力角度,

采用 YJK 及 MIDAS 两套不同计算程序进行分析对

比,互相校核结果。 根据两套不同程序的整体计算结

果,结合“高规”相关技术指标要求,以及结构概念设

计理念,可以得出下列结论:

(1)以扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主

的第一自振周期 T1 之比 0. 72,满足规范不大于 0. 9

限值要求;

(2)在风荷载和地震作用下,层间位移角均满足

规范要求,其中地震作用起控制作用,最大层间位移

角 X 向 1 / 913、X 向 1 / 968;

(3)在规定水平力作用下,最大扭转位移比 X 向

1. 33、Y 向 1. 46,均满足不大于 1. 5 限值要求;

(4)侧向刚度比及层间受剪承载力之比均满足

规范要求 ( 其中收进部位层侧向刚度比为: X 向

1. 41、Y 向 1. 30;层间受剪承载力之比为:X 向 1. 39、

Y 向 1. 31);

(5)剪重比、轴压比均满足规范要求;

(6)根据小震弹性时程分析结果,收进部位以上

楼层 CQC 法计算得出的楼层地震剪力,需乘以 1. 15

~ 1. 2 的调整系数。

4. 2 设防地震(中震)分析

采用 YJK、PBSD 软件,进行中震弹性计算及计算

结果数据提取,中震计算地震动参数参照“高规” 取

值:αmax = 0. 23、Tg = 0. 35s、ξ = 0. 06、连梁刚度折减系

数 0. 5。 控制结构构件在中震作用下,满足第二性能

水准要求,其中:关键构件及竖向构件抗弯、抗剪承载

力均按中震弹性设计;框架梁、连梁按中震抗剪弹性、

抗弯不屈服设计。 中震计算结果表明:

(1)剪力墙、框架柱等竖向构件基本由中震控

制,部分小震控制,并且满足压弯承载力中震弹性和

受剪承载力中震弹性的要求,如图 8 ~ 图 9 所示。

(2)斜柱及其相关拉梁在中震作用下,满足中震

弹性性能目标要求。

(3)框支梁抗弯基本由中震控制,抗剪基本由小

震控制,框支柱基本由小震控制,并且满足压弯承载

力中震弹性和受剪承载力中震弹性的要求。

(4)框架梁和连梁抗弯大部分由中震控制,如图

10 ~ 图 11 所示,抗剪由小震控制,并且满足受弯承载

力中震不屈服和受剪承载力中震弹性的要求。 施工

图设计时,按中震和小震进行包络设计。

图 8 竖向构件中震弹性正截面验算

图 9 竖向构件中震弹性斜截面验算

图 10 框架梁和连梁中震弹性正截面验算

图 11 框架梁和连梁中震弹性斜截面验算

2024 年 01 期 总第 307 期 李 雄,彭肇才,唐金龙·某地震重点监视防御区学校结构设计探究 ·67·

4. 3 罕遇地震(大震)分析

4. 3. 1 大震等效弹性分析

采用 YJK 软件,进行大震等效弹性反应谱计算。

大震计算地震动参数参照“高规”取值:αmax = 0. 5、Tg

= 0. 4s、ξ = 0. 07、连梁刚度折减系数 0. 3。

大震等效弹性分析计算结果显示,关键构件均未

出现配筋超限情况,满足大震不屈服性能水准要求;

剪力墙、框架柱抗剪截面均满足要求,如图 12 所示。

关键构件、剪力墙、框架柱等普通竖向构件在施工图

设计时,采取包络设计。

图 12 竖向构件大震等效弹性斜截面验算

4. 3. 2 大震动力弹塑性分析

选取 3 条 地 震 波 ( 主 次 方 向 地 震 波 峰 值 比

1∶ 0. 85),采用 Perform 3D 进行双向弹塑性时程分析。

应分析结构在罕遇地震(大震) 下的变形、主要构件

的塑性发展、分布情况,验证大震不倒的整体目标和

各类关键构件的大震性能水准,并针对结构薄弱部位

进行相应的加强处理。

根据大震下结构的动力弹塑性时程分析结果,

可知:

(1)结构在大震作用下,最大层间位移角小于 1 /

100,满足规范要求。

(2)连梁和框架梁会先后出现弯曲塑性铰,梁端

塑性铰在各个楼层分布较为均匀,大部分框架梁能够

满足小于 CP(临界倒塌)的性能水准。

(3)剪力墙的混凝土压应变水平(图 13),大部分

小于 0. 3 倍屈服应变,局部范围混凝土压应变水平在

0. 3 ~ 0. 5 屈服应变之间;剪力墙的钢筋拉应力水平,

大部分拉应变在 0. 1 ~ 0. 5 倍屈服应变水平左右;剪

力墙墙肢的名义剪应力(图 14)均小于 0. 15f

ck

。

(4)框架柱的混凝土压应变水平(图 15),大部分

小于 0. 3 倍屈服应变,底部个别框架柱混凝土压应变

水平在 0. 3 ~ 0. 5 屈服应变之间;钢筋拉应力水平,拉

应变在 0. 3 ~ 0. 5 倍屈服应变水平外,其它大部分剪

力墙的拉应变都很小;框架柱的名义剪应力(图 16)

均小于 0. 15f

ck 。

图 13 大震作用下剪力墙的压弯损伤(40s)

图 14 大震作用下剪力墙的剪切损伤(40s)

图 15 大震作用下框架柱的压弯损伤(40s)

·68· 福 建 建 筑 2024 年

图 16 大震作用下框架柱的剪切损伤(40s)

5 结构专项分析

5. 1 竖向体型收进分析

根据“高规”第 3. 5. 5 条规定,抗震设计时,当结

构上部楼层收进部位到室外地面的高度 H1 与房屋高

度 H 之比大于 0. 2 时,上部楼层收进后的水平尺寸

B1,不宜小于下部楼层水平尺寸 B 的 75% 。

根据“高规”第10. 6. 5 条规定,体型收进处宜采取措

施减小结构刚度的变化,上部收进结构的底部楼层层间

位移角,不宜大于相邻下部区段最大层间位移角的 1. 15

倍。 收进部位上下层结构层间位移角之比,如表2 所示。

表 2 收进部位上下层结构层间位移角之比

软件 YJK MIDAS

方向 X 向 Y 向 X 向 Y 向

地震作用

7F 1 / 1376 1 / 1525 1 / 1374 1 / 1593

8F 1 / 1207 1 / 1469 1 / 1291 1 / 1439

风荷载

7F 1 / 2162 1 / 3186 1 / 2137 1 / 3092

8F 1 / 1972 1 / 2584 1 / 1996 1 / 2527

由表 3 计算结果可知,体收进处上下层层间位移

角比值分别为:X 向 1. 14、Y 向 1. 11;满足“ 高规”

10. 6. 5 条不宜大于 1. 15 倍要求。

5. 2 斜柱设计分析

将斜柱及其拉梁(图 17 ~ 图 18)定义为关键构件,

设计斜柱及其顶底拉梁构件时,不考虑楼板作用,保证

斜柱和拉梁在竖向荷载作用下,满足承载力设计要求;

同时对中震作用下的斜柱和拉梁进行承载力复核,确

保满足中震弹性性能水准要求;同时,斜柱顶部楼板,

按照弹性楼板应力水平进行设计,并进行构造加强。

计算结果表明,斜柱及拉梁在竖向荷载作用及中

震组合下,利用率均小于 0. 8,最大 0. 78;根据楼板有

限元分析结果,对于斜柱区楼板进行加强,楼板厚度

加厚至 120 mm,最小配筋率 0. 25% ,双层双向布置。

图 17 斜柱平面布置

图 18 斜柱剖面示意图

5. 3 局部托换分析

本项目因首层报告厅建筑功能需要,上部结构部

分框架柱无法直接落地,需要通过二层框架梁进行转

换,转换梁跨度约 19 m。 转换柱数量 6 根,转换截面

面积小于 10% ,属于局部转换。

转换梁因跨高比较大,应力分布呈现一般梁的受

弯形式。 拉应力主要集中在跨中底部约 10% 的区

域,梁底拉应力较大区域,需要根据应力校核施工图

配筋结果,以满足截面抗弯承载力要求,压应力大部

分小 于 10 MPa, 小 于 混 凝 土 抗 压 强 度 设 计 值

23. 1 MPa。

计算模型转换梁内剪应力,大部分处于 - 2. 0 ~

2. 0 MPa 之间,小于转换梁的混凝土抗剪强度设计值

2. 9 MPa,如图 19 ~ 图 20 所示。

2024 年 01 期 总第 307 期 李 雄,彭肇才,唐金龙·某地震重点监视防御区学校结构设计探究 ·69·

图 19 荷载组合 3 转换梁的正应力

1. 3(DL + 0. 5LL) + 1. 4Ey + 0. 5Evy

图 20 荷载组合转换梁的剪应力

1. 3(DL + 0. 5LL) + 1. 4Ey + 0. 5Evy

人行走激励下舒适度分析参数选取原则如下:考

虑动力荷载效应楼板材料弹性模量放大 1. 2 倍;计算

活荷载考虑有效活荷载,正常使用活荷载予以折减,

采用 0. 55;考虑有家具和少量隔墙的影响,阻尼比可

取为 0. 02。 大跨度转换部位楼板自振频率 14. 86 Hz

> 5. 0 Hz,满足要求。 楼板自振振型图,如图 21 所示。

根据“高规”附录 A 计算楼盖振动峰值加速度,结构

阻尼为0. 02,楼板长度 L =6. 8 m,宽度 B =18. 8 m。

ω =?ωBL = 17. 93 × 1. 0 × 6. 8 × 18. 8 = 2292

Fp = p0

e

( - 0. 35fn)

= 0. 3 × e

( - 0. 35 × 10. 19)

= 0. 00847

αp =

Fp

βω

g =

0. 00847

(0. 02 × 2292)

× 9. 8 = 0. 018 m / s

2

计算结果表明,楼盖竖向振动加速度小于规范限

值 0. 05 m / s

2

,满足一般住宅舒适度标准要求。

图 21 楼板自振振型图

5. 4 少墙框架分析

本项目采用框架 - 剪力墙结构体系,在电梯间、

楼梯间及建筑的角部布置了剪力墙,剪力墙布置相对

较少,为少墙框 - 剪结构。

采用框架柱和框架梁代替框 - 剪结构模型中的

剪力墙,进行框架结构和框 - 剪结构计算分析对比。

两种不同结构体系下,计算模型的层间位移角结果如

表 3 所示。 计算结果显示,采用框架结构和框 - 剪结

构两种不同结构体系,在水平荷载作用下,最大层间

位移角均满足规范要求。

表 3 最大层间位移角对比

结构体系 框 - 剪结构 框架结构

作用方向 X 向 Y 向 X 向 Y 向

最大层间

位移角

地震作用 1 / 913 1 / 968 1 / 763 1 / 941

风荷载 1 / 1828 1 / 2248 1 / 1013 1 / 1869

选取典型框架柱,统计在地震作用下两种不同结

构体系的框架柱分担地震剪力并进行对比。 加权平

均计算结果显示,框架结构体系的框架柱剪力大约为

框 - 剪结构体系的 1. 5 倍左右。 针对少墙框 - 剪结

构中的框架柱地震剪力乘以 1. 5 倍放大系数,进行设

计加强。 典型柱截面布置如图 22 所示,地震剪力对

比如表 4 所示。

图 22 典型柱截面编号

表 4 框架柱地震剪力对比

地震作用

方向

柱编号

框 - 剪结构

剪力(kN)

框架结构

剪力(kN)

剪力比值

X 向 KZ1 26. 3 43. 7 1. 66

X 向 KZ2 87. 6 127. 8 1. 46

X 向 KZ3 20. 5 28. 4 1. 39

X 向 KZ4 140. 9 191. 5 1. 36

X 向 KZ5 - 77. 1 - 112. 6 1. 46

Y 向 KZ1 44. 5 73. 4 1. 65

Y 向 KZ2 73. 5 140. 5 1. 91

Y 向 KZ3 27. 5 62. 2 2. 26

Y 向 KZ4 142. 1 250. 5 1. 76

Y 向 KZ5 - 28. 2 - 78. 1 2. 77

·70· 福 建 建 筑 2024 年

5. 5 整体抗滑移分析

综合楼东侧和南侧为阶梯通道,南面沿西向东标

高逐渐降低,东面沿北向南标高逐渐降低,东南角的

室外地坪标高与室内一层楼面标高接近,西北的运动

场地面标高较高。 因此,综合楼存在两侧水土不平衡

的情况,如图 23 ~ 图 24 所示。

图 23 综合楼室外地坪平面图

图 24 综合楼局部剖面示意图

本项目采用混凝土灌注桩,单桩水平承载力特征

值为 510 kN,总桩数为 57 根,桩基础的总水平承载力

特征值为 36381 kN。

(1)考虑水土侧压力荷载组合:R = 9625 kN,R/ S

= 0. 265;

(2)考虑地震作用参与组合:R = 15714 kN,R/ S

= 0. 432。

结果表明,桩基础水平承载力满足受力要求。

6 结语

新安街道孝德学校新建综合楼位于地震重点监

视防御区,因此,采用提高抗震性能目标水准,进行抗

震设计加强。 本项目采用少墙框 - 剪结构体系,结构

存在结构扭转不规则、竖向尺寸突变、斜柱、局部转换

等不规则项,属于 A 级高度的超限高层建筑。 项目于

2023 年 3 月通过了超限高层建筑工程抗震设防专项

审查[8]

。 本工程主要设计研究成果总结如下:

(1)本工程采用提高抗震性能目标措施,按照设

防烈度下性能水准 2 进行设计,计算结果表明,结构

在设防烈度作用下基本完好。

(2)为保障少墙框 - 剪结构的安全性及结构冗余

度,采用框架结构和少墙框 - 剪结构两套结构体系进行

计算分析对比,针对少墙框 - 剪结构中的框架柱地震剪

力乘以1. 5 倍增大系数,进行二道防线加强设计。

(3)设计斜柱及其拉梁构件时,不考虑楼板作

用,保证斜柱及其拉梁在竖向荷载作用下,满足中震

弹性承载力设计要求,并进行裂缝宽度控制。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国国务院令第 744 号. 建设工程抗震管理

条例[Z]. 2021.

[2] 《建筑结构》杂志社. 汶川地震震害调查及对今后工程

抗震的建议[R]. 南京:东南大学,2008.

[3] 傅学怡. 整浇钢筋混凝土建筑结构抗震设计理念探

究———来自台湾、阪神和阿拉斯加等地震震害的启示

[J]. 建筑结构,2005,35(5) :9 - 12.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑结构荷载规

范:DBJ 15 - 101—2014 [ S]. 北京:中国建筑工业出版

社,2014.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规

范:GB 50011—2010 [ S ]. 北 京: 中 国 建 筑 工 业 出 版

社,2010.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 超限高层建筑工程

抗震设防专项审查技术要点:建质〔2015〕67 号[S]. 2015.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层建筑混凝土结

构技术规程:JGJ 3—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版

社,2011.

[8] 新安街道孝德学校综合楼新建工程超限高层建筑工程

抗震设防审查送审报告[R]. 深圳:广东现代建筑设计

与顾问有限公司,2023.

2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

Vol·307

两塔动力特性差异较大的连体结构设计研究

柯 砾

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361009)

摘 要:厦门某产业园一期项目 2 号楼 C 塔主体为框架 - 剪力墙连体结构,存在扭转不规则、偏心布置、凹凸不规则、

尺寸突变、连体等多项不规则,两塔平面主轴方向动力特征差异较大,通过 7 层至屋面层钢结构桁架的强连接方式形

成整体。 连体结构的跨度 30 m,基于抗震性能设计,通过计算、分析,设置合理的抗震性能目标,结合罕遇地震下的动

力弹塑性时程分析,对薄弱部位及关键部位构件采取相应的加强措施;通过对转换桁架的受力分析、施工顺序模拟和

舒适度验算,达到安全和使用舒适的目标。

关键词: 抗震性能设计; 弹塑性动力时程分析;转换桁架;连体结构

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0071 - 06

Research on the design of connected structure with great difference

in dynamic characteristics of two towers

KE Li

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co. ,LTD,Xiamen 361009)

Abstract:The 2# C Tower of first phase project in the Xiamen industrial park is a frame - shear wall with connective structure, which has

some irregularities such as irregular torsion , eccentric arrangement, irregular plane, Structural width size mutation, and connective structure. The dynamic characteristics of the two towers are quite different in the plane spindle direction, and the whole is formed by the strong

connection mode of steel structure truss from 7 floor to the roof. The span of the connective structure is 30 meters, based on the seismic

performance design, setting reasonable seismic performance objective, combining with the dynamic elastic - plastic time history analysis

under rare earthquakes, and taking strengthening measures for the weak parts and key parts of the components to achieve the goal of safety

and comfort through the stress analysis, construction sequence simulation and floor comfort of the transfer truss.

Keywords:Seismic performance design; Elastoplastic dynamic time - history analysis; Transfer truss; Connected structure

作者简介:柯砾(1976. 4— ),男,高级工程师。

E-mail:3248731@ qq. com

收稿日期:2023 - 09 - 22

0 引言

连体的建筑一般要求各独立部分宜有相同或相

近的体型、平面布置和刚度[1]

。 本项目的连接体两侧

的结构层数虽相同,但是平面长宽布置方向截然相

反,造成两塔的动力特性差异较大。 该类连体结构如

果采用弱连接的形式,无法协调两塔的变形,而且支

座的位移极难满足,故采用强连接的方式。 本文基于

两塔的动力特性差异较大的条件,分析整体结构在地

震作用下的结构振动形态、周期、变形及性能水平,寻

找结构的抗震薄弱部位并予以加强,达到安全和使用

舒适的目标。

1 工程概况

本项目位于厦门市湖里区,共分南北两个地块。

北侧地块主要功能为办公,其中 2 号楼 C 塔(办公

楼)地上为 9 层,主屋面建筑高度约 40. 4 m,在顶部

7 ~ 9 层采用钢桁架连接成整体。 建筑效果及剖面图

如图 1 ~ 图 2 所示。

图 1 总平 3D 效果图

图 2 连体剖面图

·72· 福 建 建 筑 2024 年

本工程抗震设防类别为丙类,建筑结构安全等级

为二级,设计使用年限 50 年。 所在地区的抗震设防

烈度为 7 度,设计基本地震加速度 0. 15 g,设计地震

分组第三组,场地类别为Ⅱ类;阻尼比按材料占比由

软件自动统计,其中钢材 2% ,钢筋混凝土 5% ,框架

抗震等级为三级、剪力墙抗震等级均为二级,连体及

相邻一跨的框架和剪力墙抗震等级提高一级,如图 3

所示。

图 3 抗震等级平面示意图

2 设计难点

本栋楼的左塔与右塔平面尺寸差异较大,导致结

构的平动周期不同步,无法变形协调,所以对分塔进

行动力特性分析意义不大。 最好的方式是采用强连

接,将两塔连成整体。 考虑整体的动力特性,设计难

点如下:

(1)筏板基础以散体状强风化花岗为持力层,连

体两侧的一跨的柱底力比其它跨的大较多,如何保证

基础沉降差能在可控的范围内;

(2)虽然两塔强连接成整体,但是剪力墙的布置

偏置一边,右塔在 6 层存在平面缩进,7 层处成为薄

弱部位,如何进行加强;

(3)通过模拟分析,找到结构构件的损伤严重部

位及损伤情况分布,并进行针对性的加强;

(4)连体桁架跨度 30 m,需要保证施工安装的安

全和使用阶段的舒适性。

3 结构设计

3. 1 结构体系

本栋塔楼结构采用框架 - 剪力墙体系,左塔平面

长 69 m、宽 22 m,右塔平面长 22 m、宽 62 m,两塔间

的 7 ~ 8 层设置跨度 30 m 的三榀钢桁架结构,斜腹杆

内延一跨,桁架两端各设置 6 根型钢混凝土柱,桁架

上方抬起 3 层钢结构框架。 整体结构模型如图 4 所

示,连体桁架的平面布置图、各榀桁架的立面图如图

5 ~ 图 6 所示。

图 4 结构 3D 模型

图 5 桁架层结构布置图

图 6 HJ1

- 1F 与 1F 侧向刚度比大于 2. 0。 依据《高层建

筑混凝土结构技术规程》

[1] 第 5. 3. 7 条相关规定,上

部结构嵌固端取在顶板标高。

3. 2 基础设计

塔楼有两层地下室,总深度约 10 m。 主楼基础

采用筏板基础。 根据地勘报告剖面显示,基底的土

层主要为⑥全风化花岗岩、⑦ - 1 散体状强风化花

岗岩,仅局部有⑤残积粘性土。 考虑基础持力层更

均匀,对残积粘性土进行换填,天然地基承载力特征

值取 300 kPa,根据基础埋深进行深度修正,但是地

基承载力特征值增加值不超过地下室结构自重。 结

构上部荷载较大,柱(墙) 下轴力分布不均匀,特别

是连接体两侧的柱下轴力是极值,而连体结构为刚

性连接,对差异沉降极为敏感。 主楼基础为提高基

础整体性,增加地基梁以提高筏板刚度,同时将连体

两边支撑框架柱的基础筏板沿型钢柱中心线外扩

5 m,尽可能减小地基净反力。 经沉降计算分析,基

础沉降量最大为 21 mm,基础间沉降差为 5 mm,可

以满足设计要求。

3. 3 抗震性能设计

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》

[1]

、《超限

高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》

[3] 及《建

2024 年 01 期 总第 307 期 柯 砾·两塔动力特性差异较大的连体结构设计研究 ·73·

筑抗震设计规范》

[4]

,结合项目平立面特点和计算分

析的结果,统计本项目的超限情况,如表 1 所示。

表 1 超限情况

不规则类型 具体描述

扭转不规则

6 层以下位移比最大为 1. 33,6 层以上个别

楼层位移比略超过 1. 20

尺寸突变 右侧 6 层以上平面缩进

构件间断 顶部 3 层为连体,连接体跨度为 30m

凹凸不规则 l / Bmax = 0. 54 > 0. 35

局部不规则 一层局部有穿层柱

为确保建筑结构的安全、经济、适用,超限高层建

筑在现行规范的小震设计之外,还需按《高层建筑混

凝土结构技术规程》

[1]第 3. 11 章节及《建筑抗震设计

规范》

[4]附录 M,采用基于性能的抗震设计方法。 制

定性能目标为 D + 级,即提高连体结构及其竖向支撑

构件性能为中震弹性,其余区域剪力墙和框架柱按中

震不屈服,框架梁按常规设计。 本项目抗震性能目标

设定如表 2 所示。 其余连梁框架梁等耗能构件,在设

防地震作用允许进入屈服。

对于关键构件构件设定性能目标的量化指标如

表 3 所示。

表 2 结构抗震性能化设计目标 D + 构件性能目标细化表

地震烈度

多遇

地震

设防

地震

罕遇

地震

宏观损坏程度描述

完好、

无损坏

中度

损坏

比较严

重损坏

层间位移角 1 / 800 - 1 / 100

关键

构件

连体两侧一跨范

围的剪力墙底部

加强部位

支撑水平转换桁

架的框架柱、水

平转换桁架

正截面

承载力

抗剪承

载力

正截面

承载力

抗剪承

载力

弹性

弹性

不屈服

弹性

弹性

弹性

部分

不屈服

不屈服

不屈服

普通

竖向

构件

其他部位墙体

其他部位框架柱

正截面

承载力

抗剪承

载力

正截面

承载力

抗剪承

载力

弹性

弹性

不屈服

不屈服

弹性

部分可

屈服

满足截面

控制条件

部分可

屈服

满足截面

控制条件

表 3 关键构件构件设定性能目标的量化指标

关键部分竖向构件

量化指标

轴压比

纵筋配筋率

边缘

构件

墙身 1 墙身 2

抗震

等级

连体相邻

一跨范围

剪力墙

负二层墙 0. 6 1. 0% 0. 25% 0. 4% 二级

底部加强区及相

邻上下一层墙

0. 5 1. 2% 0. 25% 0. 4% 一级

其余楼层剪力墙 0. 5 1. 2% 0. 25% 0. 4% 一级

连体相邻

一跨范围

框架柱

负二层柱 0. 90

底部加强区及相

邻上下一层柱

0. 85

其余楼层柱 0. 85

计入钢骨后,配筋率,

含钢率≥4%

三级

二级

二级

注:1. 配箍特征值、剪压比按规范取值;2. 墙身 1 指钢筋混凝土剪力,

墙身 2 指内嵌钢板钢筋混凝土剪力。

3. 4 结合超限情况及分析数据提出加强措施

(1)一层局部有 5 根框架柱是穿层柱,取相邻非

穿层柱的水平剪力,按两层高的计算长度复核框架柱

的配筋,同时设置工字钢骨提高框架柱的延性。

(2)连体桁架将两塔强连接成整体,连体桁架成

为结构成立的最关键部位,所以连体桁架的性能目标

提高至中震弹性、大震不屈服。

(3)右塔在 6 层时平面缩进,7 层开始是连体

层,层刚度急剧变化。 为发现结构的薄弱部位,通

过大震动力弹塑性时程分析,按损伤程度作相应

加强。

(4)结构底部 6 层以下楼层的位移比较大,通过

在楼梯间、电梯间合理布置剪力墙和加大边跨的梁柱

截面,将位移比控制在 1. 4 以内。

4 大震工况的结构弹塑性时程分析

对于两塔动力特性差异较大的连体结构的高层

建筑,需观察在大震下的结构变形情况及构件应力和

损伤情况,进一步采取必要的加强措施。 本项目选择

结构动力弹塑性计算软件 PKPM - SAUSAGE( PKPM

Seismic Analysis Usage),采用基于显式积分的动力弹

塑性分析方法,准确模拟梁、柱、支撑、剪力墙(混凝土

剪力墙和带钢板剪力墙)和楼板等结构构件的非线性

性能,实现既定目标。

本工程大震弹塑性分析,选用与多遇地震分析一

致的一组人工波和二组天然波,地震波名称和波形如

图 7 ~ 图 9 所示。

·74· 福 建 建 筑 2024 年

图 7 人工波 1 ArtWave - RH2TG045,Tg(0. 45)

图 8 天然波 1 Chi - Chi,Taiwan - 03_NO_2499

图 9 天然波 2 Chalfant Valley - 02_NO_554

4. 1 基本分析结果

通过表 4 小震与弹塑性模型周期和质量对比分

析可见,其质量相近、两主方向周期规律一致,说明模

型基本一致。

表 4 SATWE、SAUSAGE 模型周期质量对比

计算软件 SATWE SAUSAGE

前三周期

(不带地下室结果)

1. 057(Y)

0. 935(X)

0. 901(T)

1. 112(Y)

1. 065(X)

0. 936(T)

结构总质量(t) 41208. 8 42013. 3

注:SAUSAGE 模型计入了钢筋及钢骨影响,连梁用壳单元模拟,

且周期计算时未考虑连梁刚度的折减,楼板采用壳单元模拟,并考虑

了楼板平面外刚度,故二者重量和周期计算结果略有差异。

由表 5 对比可知,大震作用下,弹塑性时程的基

底剪力较弹性时程的基底剪力减小明显,X 向基底剪

力减小幅度为 27% ~ 43% ,Y 向基底剪力减小幅度为

37% ~ 47% ,说明结构出现了塑性形变而耗能,从而

增加了阻尼比,减小了基底的地震力。

由图 10 可知,结构在大震作用下,结构除顶部构

架的位移角略超 1 / 100,其余均在规范限值以内;各条

波作用下的楼层的位移角分布图基本一致,且各层的

值是均匀分布无突变,说明结构没有出现明显的薄弱

层,整体抗震性能良好。

表 5 各组地震波在大震作用下结构基底剪力 kN

地震波

弹性时

程 X 向

弹塑性

时程 X 向

变化

幅值

弹性时

程 Y 向

弹塑性

时程 Y 向

变化

幅值

人工波 1 102683 61681 - 40% 92907 58171 - 37%

天然波 1 131877 75456 - 43% 120705 64348 - 47%

天然波 2 102373 74951 - 27% 105794 59417 - 44%

(a)X 向楼层位移角 (b)Y 向楼层位移角

图 10 各组地震波作用下结构楼层位移角分布图

4. 2 结构损伤情况

本栋楼的剪力墙是第一道防线。 因两塔结构动

力特性差异较大,通过大震弹塑性时程分析研究剪力

墙损伤情况,可以较好地评价结构的合理性。

(1)剪力墙及连梁

首先考查钢筋混凝土的剪力墙,剪力墙及连梁的

混凝土损伤、钢筋损伤情况如图 11 ~ 图 13 所示。 由

图 11 可知,右塔剪力墙混凝土在 7 层以下,均有中度

至严重破坏,左塔的混凝土损伤轻微;由图 12 可知,

钢筋的损伤均在中等破坏以内;由图 13 可知,剪力墙

底的构件损伤较大,符合预期,但是右塔的构件除底

部外,从 7 层往下均有重度破坏,无法达到性能目标。

图 11 剪力墙及连梁的混凝土损伤

2024 年 01 期 总第 307 期 柯 砾·两塔动力特性差异较大的连体结构设计研究 ·75·

图 12 剪力墙及连梁的钢筋损伤

图 13 剪力墙及连梁的性能水平

当适当增加连体两侧的剪力墙厚度至 700 mm,

地震下破坏仍较严重,无法满足性能目标,故考虑将

损伤严重的剪力墙内嵌抗剪的钢板,钢板厚度取墙厚

的 1 / 15,材料为 Q355B,剪力墙及连梁的混凝土损伤、

钢筋、钢材损伤情况如图 14 ~ 图 17 所示。

图 14 剪力墙及连梁

混凝土损伤

图 15 剪力墙及连梁

钢筋损伤

图 16 剪力墙及连梁

钢材损伤

图 17 剪力墙及连梁

性能指标

由图 17 可知,原连体桁架两侧的剪力墙混凝土

损伤,从严重破坏降为中等破坏,所有剪力墙底部的

钢筋出现屈服而耗能,剪力墙中的钢板受损伤均在轻

微破坏以内,可以保证大震时楼层抗剪承载力需要。

最后从综合剪力墙和连梁的性能水平可以看出,连梁

基本处于中等至严重破坏,可以实现大震时出铰屈

服,剪力墙除底部分严重破坏而屈服外其余在中等破

坏以内,基本实现预定的性能目标。

图 18 框架柱与斜撑性能水平 图 19 框架梁的性能水平

由图 18 ~ 图 19 可知,连体部分结构的斜撑和梁

处于基本完好状态,框架柱在底层和屋架局部出现中

等破坏,框架梁在梁端在有中等破坏,作为第二道防

线,有较好的安全储备。

(3)楼板

考虑到连体部分要达到中震弹性的目标,楼板按

中震弹性进行应力分析,应力云图如图 20 所示。 通

过特殊楼层主应力云图可知,在绝大部分的楼板区

域,主拉应力仍小于 2. 20 N/ mm

2

,针对超过该值的区

域,通过增加楼板厚度、设置双层双向钢筋,使得其主

拉应力承载力值提高到 3. 70 N/ mm

2

;对于局部主拉

应力仍超过该值的区域,再通过楼板和钢筋的调整,

仍可以满足 4. 43 N/ mm

2要求。 总之,通过设防地震

作用下的楼板详细有限元分析,可知绝大部分楼板不

开裂,针对部分开裂的楼板,通过局部设置双层双向

钢筋,能够保证其承载力满足设计目标要求。

(a) X 向地震平面最大应力云图

(b) Y 向地震平面最大应力云图

图 20 7 层楼板应力云图(单位:N/ mm

2

)

·76· 福 建 建 筑 2024 年

4. 3 罕遇地震作用下结构动力弹塑性时程分析结论

(1)在各组地震波作用下,主体结构的最大弹塑

性层间位移角,小于 1 / 100 的规范限值。

(2)框架柱出现少数混凝土中度受压损伤,混凝

土框架梁的梁端也出现混凝土中度受压损伤,但其钢

筋塑性应变很小,整体框架的抗震性能良好。 连体的

斜撑和梁均基本完好。

(3)剪力墙的损伤主要集中在连梁和剪力墙底

部,充分发挥了耗能作用,剪力墙边缘构件钢筋和钢

板塑性应变很小,结构整体性较好。

(4)在洞口周边及桁架连接部位,楼板混凝土出

现中度 ~ 严重受压损伤,设计时,在相应位置楼板内

设置双层双向钢筋网片及提高配筋率进行加强。

5 大跨度桁架施工模拟与舒适度分析

连体部分钢结构跨度 30 m,竖向振动比较明显,

需要验算结构的竖向振动的舒适度。 同时,钢结构的

施工顺序及应力的变化能否安全也需要分析,下文将

对这两方面进行详细说明。

5. 1 大跨度桁架施工顺序分析

为了充分考虑不同施工顺序对转换桁架承载力

的影响,本项目采用了以下两种不同的施工顺序,对

整体模型计算分析。

工况 1:采用逐层施工方案。 在该施工顺序下,转

换桁架一次完成组装,在同时考虑多遇地震及风荷载

的基本组合下,构件的承载力均能够完全满足要求,最

大综合应力比在 0. 78 左右,竖向挠度为 24. 9 mm。

工况 2:采用先两边后中间的施工方案。 该方案

先施工两边主体混凝土结构,后施工转换桁架,最后

逐层施工上部钢结构框架。 在该施工顺序下,考虑多

遇地震及风荷载的基本组合下,构件的承载力均能够

完全满足要求,最大综合应力比在 0. 76 左右,竖向挠

度为 22. 79 mm。

上述两种工况下,桁架的应力值相近。 桁架制作

加工时,跨中预先起拱 25 mm,以保证钢结构安装后,

可以较好满足使用要求。

5. 2 大跨度桁架楼盖舒适度分析

采用 Sap2000 软件,对部分楼层楼盖进行竖向振

动模态分析,得到对应竖向振动的最小自振频率。 根

据计算分析,楼盖竖向振动频率结果如图 21 所示,楼

盖竖向振动的最显著为连体部分,第一阶竖向自振频

率为 5. 14Hz,满足“高规”第 3. 7. 7 条楼盖结构竖向

振动频率不宜小于 3 Hz 的要求。

(a)第一阶竖向振型 f = 5. 14 Hz

(b)第二阶竖向振型 f = 5. 69 Hz

(c)第三阶竖向振型 f = 6. 28 Hz

图 21 连体竖向振动形态

6 结语

(1)两塔平面尺寸差异较大的连体建筑,很难通

过调整竖向构件的布置,达到各阶振型基本一致。 建

议采用强连接,并适当提高连接体的性能目标。

(2)建议该类的连体结构通过大震弹塑性时程

分析计算,找出结构的薄弱部位并进行加强。

(3)连接体的钢桁架需要进行各施工工况的模

拟,提出桁架安装时起拱值,保证结构的正常使用状

态和安全性。

(4)大跨度连体桁架的竖向振动频率通常较小,

需要进行楼盖舒适度验算。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层建筑混凝土结

构技术规程:JGJ/ 3—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版

社,2010.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑工程抗震设防

分类标准:GB/ 50223—2004[ S]. 北京:中国建筑工业出

版社,2004.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建质〔2015〕67 号

超限 高 层 建 筑 工 程 抗 震 设 防 专 项 审 查 技 术 要 点

[S]. 2015.

[4] 建筑抗震设计规范:GB/ 50011—2010(2016 年版) [ S].

北京:中国建筑工业出版社,2016.

2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

Vol·307

恒申集团总部大楼结构方案比选及抗震超限设计

张璘琳

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

摘 要:恒申集团总部大楼的建筑形体由四个体块穿插堆叠而成,结构上如何实现体块错动的效果,是该项目结构设

计的关键点。 为此,分析恒申集团总部大楼结构方案的比选过程,在综合评估空间利用率、结构受力性能、施工工艺等

因素后,从中选择了最优方案即(少墙)钢框架结构体系。 文中分析探讨了该项目抗震超限设计的过程,并提出长悬臂

楼盖竖向振动舒适度的控制方案。

关键词: 结构方案比选;抗震超限设计;楼盖舒适度

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0077 - 08

Structurescheme comparison and seismic out - of - code design of HSCC group headquarters

ZHANG Linlin

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research CO. ,LTD. ,Fuzhou 350001)

Abstract:The building form of HSCC group headquarters is composed of four interspersed and stacked blocks, and how to achieve the

effect of staggered blocks is a key point in the structural design of this project. The paper introduces structure scheme comparison of HSCC

group headquarters. After comprehensive evaluation of factors such as space utilization, structural mechanical behavior, construction technology, the optimal structural scheme, which is the less wall steel frame structure, was selected. This paper analyzes and discusses the

process of seismic out - of - code design of this project, and a control scheme for the vertical vibration comfort of long cantilevered floors

was proposed.

Keywords:Structure scheme comparison; Seismic out - of - code design; Floor comfort

作者简介:张璘琳(1985. 10— ),女,高级工程师。

E-mail:57973530@ qq. com

收稿日期:2023 - 10 - 11

0 引言

近年来,随着建筑行业迅速发展,高层建筑形式

呈现越来越多样化及复杂化的趋势。 高层建筑中较

常选用的结构体系有钢结构、钢筋混凝土结构以及混

合结构体系。 钢结构的特点是自重轻、强度高、延性

好、装配式程度高、绿色节能、施工周期短,但耐火性

和耐久性差、造价高、整体刚度较弱。 钢筋混凝土结

构的特点是自重大、刚度大、结构整体性好、耐火性和

耐久性好、造价低但是施工周期较长。 混合结构则结

合了钢结构体系和钢筋混凝土结构体系的特点,近年

来广泛应用于各类超高层建筑之中。 设计时应充分

考虑抗震设防烈度、建筑高度、建筑功能、结构材料和

施工条件等因素,选择最优的结构方案。

此外,为了实现越来越多样化及复杂化的高层建

筑,有可能就会出现超限的高层建筑。 超限高层建筑

工程是指超出国家现行规范、规程所规定的适用高度

和适用结构类型的建筑工程,体型特别不规则的建筑

工程,以及有关规范规程规定应进行抗震专项审查的

高层建筑。 设计时应明确超限情况、确定合理的抗震

性能目标,对超限建筑进行多模型多工况分析计算,

对结构薄弱部位采取有效的抗震措施,再经过专家的

专项审查和论证,确保这类超限高层建筑安全。

1 工程概况

恒申集团总部大楼位于福建省福州市长乐区航

城街道和谐路东侧,总建筑面积约为 42 732 m

2

,其中

地上建筑面积 24 043 m

2

。 该项目上部为一栋 13 层

建筑,建筑高度 69 m,主要功能为写字楼;地下 2 层,

主要功能为车库及设备用房。 项目上部建筑形体以

“协同合作,循环永续”的设计理念,将四个体块穿插

堆叠,形成了塔楼的主体。 外立面楼梯将塔楼各层的

使用者与屋顶花园相连接,对空间进行激活。 图 1 为

建筑效果图,各体块典型建筑平面布置和剖面如图 2 ~

图 3 所示。

·78· 福 建 建 筑 2024 年

图 1 建筑效果图

(a)二层建筑平面布置(第一体块)

(b)三层建筑平面布置(第二体块)

(c)七层建筑平面布置(第三体块)

(d)十一层建筑平面布置(第四体块)

图 2 各体块典型建筑平面布置图

图 3 典型建筑剖面图

2024 年 01 期 总第 307 期 张璘琳·恒申集团总部大楼结构方案比选及抗震超限设计 ·79·

该项目采用(少墙) 钢框架结构体系,设计工作

年限为 50 年,抗震设防烈度为 7 度。 设计基本地震

加速度值为 0. 10 g,水平地震影响系数最大值 αmax =

0. 08;场地土类别为 III 类,设计地震分组为第三组,

场地特征周期 Tg = 0. 65 s。 基本风压为 0. 8 kN/ m

2

(50 年一遇),地面粗糙度为 B 类。

根据现行国家相关规范要求,该建筑抗震设防类

别为标准设防类,建筑结构安全等级为二级,重要性

系数取值 1. 0,钢框架抗震等级二级,钢板剪力墙抗

震等级二级。

基础设计等级为甲级。 根据翰林(福建)勘察设

计有限公司提供的岩土工程勘察报告,经多方案比

较,该工程塔楼以下采用冲孔灌注桩,桩端持力层为

???中风化凝灰岩层;纯地下室部分采用高强预应力混

凝土管桩,桩端持力层为⑥含砾粗砂层。

2 结构方案比选

该项目塔楼主体由 4 个体块穿插堆叠而成,不同

的体块之间的错动,造成了上部楼层收进或外挑较大

的情况出现。 体块错动的部分外伸尺寸(与主体结构

最外围竖向构件的距离)最小为 6. 4 m,最大为 12 m。

基于上述情况,结构体系初步选为以下3 个方案:

方案一:型钢混凝土框架 - 钢筋混凝土核心筒结

构体系。 长悬臂及跨度较大区域框架梁采用型钢混

凝土梁或钢梁,其余部分均为钢筋混凝土梁;所有柱

均为型钢混凝土柱;核心筒为钢筋混凝土,根据计算,

需要部分区域剪力墙内设钢板。

方案二(图 4):钢管混凝土框架 - 钢筋混凝土核

心筒结构体系。 所有柱均为钢管混凝土柱;梁均为钢

梁;核心筒为钢筋混凝土,根据计算,需要部分区域剪

力墙内设钢板。

图 4 方案二典型平面结构平面布置图

方案三(图 5):(少墙)钢框架结构体系。 框架柱

采用钢管混凝土柱;梁采用钢梁;设置少量双钢板剪

力墙。

图 5 方案三典型平面结构平面布置图

方案一的优点,是结构整体刚度较大,变形较小;

对后期维护的要求较少。 缺点是结构自重较大,柱、

墙截面偏大,不利于建筑使用功能的发挥;既要满足

型钢的连接,又要保证混凝土部分的可靠连接,节点

复杂,对施工技术能力要求较高,施工周期长;大量长

悬臂、大跨度的存在,使得结构中大部分梁也需要采

用型钢梁。 由于楼层净高的需要,大量长悬臂大跨度

钢梁的梁高受到限制,造成梁宽较宽。 为了满足型钢

混凝土柱构造需要,柱截面难以减小。 该方案可行性

较差,方案初步设计的最初阶段已排除。

方案二、方案三较方案一的优点,为结构自重较

小,构件所需的截面也较小,可充分利用建筑空间;施

工简单,装配程度高,施工周期短;延性好,有良好的

抗震性能。 缺点是后期维护要求较高。

表 1 方案二、三指标比较

项目 方案二 方案三

空间利用率

单层外轮廓面积(m

2

) 1738. 09 1738. 09

单层可使用面积(m

2

) 1535. 11 1561. 60

最大层间位移角

X 1 / 984 1 / 538

Y 1 / 1224 1 / 657

方案三与方案二相比(表 1),优点是双钢板剪力

墙厚度小于钢筋混凝土剪力墙,在外轮廓尺寸不变的

前提下,尽可能减小竖向交通占用的面积,空间利用率

最高。 缺点是整体刚度较弱,结构变形大于方案二。

在综合评估空间利用率、结构受力性能、施工工

艺等因素后,本工程最终选用方案三,即(少墙)钢框

架结构体系,作为进一步分析的结构方案。

·80· 福 建 建 筑 2024 年

3 塔楼超限分析

3. 1 存在的超限情况

由于该项目塔楼布置较为复杂,根据《超限高层

建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质〔2015〕

67 号)文件规定,结合软件分析计算结果,该项目存

在以下几个的超限项目:

(1)扭转不规则。 各楼楼层考虑偶然偏心影响

的规定水平力下,最大位移比或层间位移比:8 层 X

向为 1. 24 > 1. 2,3 层 Y 向为 1. 36 > 1. 2。

(2)楼板不连续。 由于建筑功能需要,一层夹层

③轴右侧楼板开洞,屋面层 C 轴以下部分楼板开洞,

开洞部位楼板有效宽度小于 50% 。

(3)尺寸突变。 本项目塔楼主体为四个体块穿

插堆叠而成,不同的体块之间的错动,造成了上部楼

层收进或外挑较大的情况出现。 上部结构第三体块

相对于第二体块竖向构件收进 15 m,大于下部结构

相应尺寸的 25% (45. 5 m × 25% = 11. 25 m),且收进

位置高度28 m 大于结构高度的20% (68. 85 m × 20%

= 13. 77 m)。 各体块之间的错动效果通过主体框架

外设悬挑梁实现,悬挑梁跨度约为 6. 75 m ~ 12 m。

(4) 抗扭刚度弱。 存在扭转周期比大于 0. 9 的

现象。

3. 2 结构抗震超限针对性技术措施

针对该项目主体结构的不规则情况,为保证结构

具有较好的抗震性能,设计时,采取了以下加强措施:

(1)对于扭转不规则、抗扭刚度弱的超限情况,

结构计算时,计入扭转影响及双向地震作用。 结合建

筑功能需要,合理布置结构,适当加大周边梁柱截面,

以提高抗扭刚度。

(2)对于楼板开洞超限的情况,采取全层弹性膜

的模型,准确分析楼板的实际刚度对整体结构内力分

配的影响,同时加大楼板厚度,加强配筋。

(3)对于尺寸突变超限的情况,在突变所在楼层

加大楼板厚度,同时进行楼板应力分析,收进部位楼

板采取中震不屈服性能化设计,加强该层楼板配筋。

3. 3 结构抗震性能目标

根据 《 建 筑 抗 震 设 计 规 范 规 范》 ( GB50011—

2010)(2016 年版)相关规定,基本的抗震设防目标:

小震不坏、中震可修、大震不倒。 在具体进行结构抗

震性能化设计时,应结合结构方案的特殊性,抗震设

防类别、设防烈度、场地条件等因素确定合适的抗震

性能目标。

该项目抗震设防类别为标准设防类,所在地区设

防烈度为 7 度(0. 10 g),结合本项目的结构布置情

况,根据《高层民用建筑钢结构技术规程》 ( JGJ99—

2015)的相关规定,设计时选取的抗震性能目标略高

于 D 级,即应满足表 2 要求。

表 2 结构抗震性能目标

地震水准 性能水准 性能目标描述

多遇地震 1 满足弹性设计要求

设防烈度地震 高于 4 竖向构件满足弹性设计要求

预估的罕遇地震 5

较多竖向构件进入塑性但关键构件

不屈服,层间位移角满足规范规定,

其他竖 向 构 件 不 发 生 剪 切 等 脆 性

破坏

3. 4 多遇地震作用下弹性分析

在竖向荷载、 风荷载、 多遇地震作用下, 采用

YJK、PMSAP 和 MIDAS / Gen 软件,对上部结构进行整

体结构计算分析。 计算结果详见表 3。 通过相关数

据对比可知,结构平动、扭转振型清晰,第一、二振型

均为平动振型,结构第一扭转主振型出现在第三振

型。 计算剪重比、刚重比、最大层间位移角、位移比等

指标均满足规范要求,说明结构体系、结构布置合理。

YJK 与 PMSAP、 Midas/ GEN 多个软件的计算结果基

本吻合,验证了 YJK 软件结构分析的有效性和可信

度,可采用 YJK 软件进行后续分析计算以及后期的

施工图设计。

表 3 小震弹性计算结果对比

计算结果

计算模型

YJK PMSAP MIDAS / Gen

自振周期

(S)

1 2. 6399(X) 2. 5398(X) 2. 5433(X)

2 2. 4521(Y) 2. 4496(Y) 2. 3948(Y)

3 2. 3367(T) 2. 3521(T) 2. 2958(T)

周期比 0. 89 0. 93 0. 90

振型参与

质量系数

X 95. 12% 95. 57% 95. 06%

Y 93. 04% 96. 92% 94. 83%

地震作用

下最大层

间位移角

X 1 / 538(7 层) 1 / 529(7 层) 1 / 549(7 层)

Y 1 / 657(4 层) 1 / 658(4 层) 1 / 672(4 层)

最大位

移比

X 1. 24(8 层) 1. 24(8 层) 1. 32(8 层)

Y 1. 36(3 层) 1. 38(3 层) 1. 44(4 层)

风荷载作用

下最大层

间位移角

X 1 / 839(7 层) 1 / 918(7 层) 1 / 1001(7 层)

Y 1 / 1184(4 层) 1 / 1185(4 层) 1 / 1383(4 层)

结构总重(t) 59355. 9 59587. 2 59178. 9

基底剪力

(kN)

X 11550. 6 11039 11557. 3

Y 12397. 9 10907 10725. 5

剪重比

X 2. 92% 3. 00% 3. 00%

Y 3. 13% 2. 96% 2. 80%

刚重比

X 3. 43 3. 52 3. 24

Y 3. 98 3. 85 3. 59

2024 年 01 期 总第 307 期 张璘琳·恒申集团总部大楼结构方案比选及抗震超限设计 ·81·

3. 5 设防地震计算分析

为了保证地震时正常的生产生活功能,降低地震

所引起的经济损失情况,该项目设计采用高于基本抗

震设防目标的性能化设计方法。 本工程具体采用的

抗震性能目标———在设防烈度地震( 即中震) 作用

下,关键构件均应满足正截面受弯及受剪承载力“保

持弹性设计”的要求。

构件截面抗震验算公式如下:

γG SGE + γE SEK + ψW γW SWK≤R / γRE (1)

式(1)中:γG 、γE 、γW 分别为重力荷载、地震作用、

风荷载分项系数;

SGE 、SEKE 、SWK分别为重力荷载、地震作用、风荷载

标准值效应;

ψW 为风荷载组合系数;

R 为构件承载力设计值;

γRE为承载力抗震调整系数。

根据选取的不同性能目标,以上各参数在设计中

应按照如下情况选取:

(1)保持弹性:分项系数按照规范规定取值,材

料取规范规定的设计强度,不考虑与抗震等级有关的

增大系数,不考虑风荷载组合作用,考虑承载力抗震

调整系数 γRE = 0. 75 ~ 0. 85。

(2)不屈服: 作用分项系数及承载力抗震调整系

数均取 1,不考虑风荷载组合作用,不考虑与抗震等

级有关的增大系数,材料取规范规定的标准强度。

本项目抗震设防烈度为 7 度(0. 10 g)。 设防地

震的地震影响系数最大值为 0. 23,采用 YJK 建筑结

构设计软件进行计算分析。 该工程主体结构在设防

烈度地震(即中震) 作用下,主楼竖向构件的应力比

均 < 1. 0,满足性能目标。

3. 6 大震作用下弹塑性计算分析

为了评价结构总体地震力响应情况,了解结构总

体变形情况,检验结构关键部位的受力情况及构件损

坏程度,本项目采用 SAUSAGE 软件,对该项目进行弹

塑性时程分析。

本项目罕遇地震作用下的结构弹塑性分析,采用

的是无地下室模型。 SAUSAGE 中,计算模型三维轴

测图如图 6 所示。 罕遇地震作用选取两条天然波及

一条人工波,大震弹塑性时程分析结果如图 7 ~ 图 10

和表 4 ~ 表 5 所示。

该项目所在地区抗震设防烈度为 7 度。 设计地

震加速度为 0. 10g,多遇地震作用下,水平地震影响系

数最大值为 0. 08,罕遇地震作用下,水平地震影响系

数最大值为 0. 50,罕遇地震为多遇地震的 6. 25 倍。

根据表 4 计算结果可知,大震弹塑性时程分析底部剪

力平均值与小震弹性分析底部剪力相比,比值为 X 向

为 5. 7,Y 向为 6. 2,接近于 6. 25,弹塑性计算结果与

多遇地震计算结果比值处于合理范围之内。

每组地震波作用下结构的层间位移角及其对应

的楼层号见表 5。 可以看到,结构在 X 方向最大的层

间位移角为 1 / 123 (第五层),对应为天然波 1;结构

在 Y 方向的最大层间位移角为 1 / 99(第七层),对应

为天然波 2,均满足规范弹塑性层间位移角≤1 / 50 的

规范限值。 也即结构达到了罕遇地震作用下不倒塌

的抗震性能目标。 且通过图 7 可以看出,结构的楼层

位移在竖向呈现均匀变化,无明显薄弱层。

图 6 弹塑性计算模型三维轴测图

表 4 基底剪力结果对比

基底剪力(kN) 大震/ 小震

X 向 Y 向 X 向 Y 向

天然波 1 74185. 3 77555. 8 6. 5 6. 1

天然波 2 56440. 3 71022. 0 4. 9 5. 6

人工波 1 65625. 0 60910. 5 5. 7 4. 8

平均值 65417. 1 79310. 4 5. 7 5. 5

多遇地震 11460. 0 12792. 0 - -

表 5 大震作用下最大层间位移角

地震波 最大层间位移角 对应层号

天然波 1 1 / 123 5

天然波 2 1 / 99 7

人工波 1 1 / 145 5

从图 8 ~ 图 10 可以看出,除底部三层之外,大部

分钢板剪力墙发生轻微损坏或者轻度损坏。 二层及

三层大部分区域剪力墙发生轻度损坏,四个剪力墙筒

开洞处墙肢发生中度损坏,极个别墙肢发生重度损

坏,首层剪力墙部分墙肢发生重度损坏。 除首层外,

大部分框架柱发生轻微损坏或者轻度损坏。 首层柱

部分发生轻度损坏,部分发生中度损坏。 除底部几层

以外,大部分钢框架梁未发生损坏。 结构首层 ~ 三层

小部分梁发生轻微损坏,个别梁发生轻度损坏。

·82· 福 建 建 筑 2024 年

(a)X 向层间位移角 (b)Y 向层间位移角

图 7 大震弹塑性分析下结构层间位移角

综上,大震作用下,该项目结构整体表现良好,可

以达到性能目标略高于 D 的要求,结构整体指标满足

规范要求并有一定富余。 作为第二道防线的框架结

构,存在一定安全冗余。

图 8 钢板剪力墙性能水平

图 9 框架柱性能水平

图 10 框架梁性能水平

3. 7 竖向构件受拉验算

(1)多遇地震及风荷载作用

本项目在 D + L 工况下,各层墙柱柱底力均为压

力,未出现柱底受拉的情况。

考虑地震和风荷载作用时,与基础相连的剪力墙

和框架柱在荷载标准组合工况下,墙柱均未出现受拉

的情况。

考虑地震和风荷载时,在荷载基本组合工况下,

部分剪力墙出现偏心受拉的情况,通过设置双钢板剪

力墙(剪力墙外包钢板),各墙肢应力比计算结果均

能满足设计要求。

(2)设防烈度地震作用

考虑地震作用时,在荷载标准组合工况下,与基

础相连的框架柱柱底力均为压力;与基础相连的剪力

墙墙底出现受拉的情况,且拉力较大。 因此,在基础

设计时,主楼内部桩基也应考虑是否有受拉的情况

发生。

考虑地震作用时,在荷载基本组合工况下,大部

分剪力墙出现偏心受拉的情况。 本项目在中震作用

下的性能目标,为竖向构件满足弹性设计要求,在设

置双钢板剪力墙的情况下,各墙肢应力比计算结果均

能满足性能目标要求。

3. 8 楼盖竖向振动舒适度控制

根据《混凝土结构设计规范》 (GB50010—2010)

(2015 年版)第 3. 4. 6 条规定,对混凝土楼盖结构应

根据使用功能的要求进行竖向自振频率验算,并宜符

合下列要求:

2024 年 01 期 总第 307 期 张璘琳·恒申集团总部大楼结构方案比选及抗震超限设计 ·83·

(1)住宅和公寓不宜低于 5 Hz;

(2)办公楼和旅馆不宜低于 4 Hz;

(3)大跨度公共建筑不宜低于 3 Hz。

根据《 建筑楼盖振动舒适度标准》 ( JGJT441—

2019)第 4. 2. 1 条规定,以行走激励为主的楼盖结构,

第一阶竖向自振频率不宜低于 3 Hz,竖向振动峰值加

速度不应大于 0. 050 m / s

2

(办公室)、0. 150 m / s

2

(商

场、公共交通等候大厅)。

该项目上部各层均存在长悬臂的情况,悬挑尺寸

为 6. 4 m ~ 12 m,跨度较大。 在不采取任何措施的情

况下,选用 YJK 计算软件楼板及设备振动模块,对上

部各楼层长悬臂部分进行模态分析。 模态分析结果

如表 6 所示。

根据表 6 计算结果,本工程 6 ~ 13 层、小屋面层

的第一阶竖向自振频率较低,均低于 4 Hz。 其中,第

10 层的第一阶竖向自振频率低于 3 Hz。 根据规范规

定,应进行楼盖竖向振动舒适度分析。 以使用功能为

办公的第九层为例,采用时程分析法,按照单人行走

激励计算楼盖的振动响应。 经计算,竖向振动峰值加

速度最大值为0. 112 m/ s

2

,大于规范允许值0. 05 m / s

2

,

在设计过程中应采取适当的减振措施。

表 6 各楼层第一阶竖向自振频率

层号 自振频率(HZ)

第一体块

1F 夹层 5. 308

2F 5. 113

第二体块

3F 4. 421

4F 4. 412

5F 4. 412

6F 3. 757

第三体块

7F 3. 334

8F 3. 309

9F 3. 304

10F 2. 911

第四体块

11F 3. 594

12F 3. 510

13F 3. 970

大屋面 4. 496

小屋面 3. 296

通常情况下,可以通过提高楼盖刚度和增加楼盖

阻尼的方法,满足楼盖舒适度的要求。 该项目为了满

足室内空间使用需求,房屋净高受到限制,通过增加

结构梁截面尺寸,以提高楼盖刚度的方案无法实现。

结合审查专家意见,最终确定的减振方案如下:

(1)对于悬挑长度为 6. 4 m 和 8. 4 m 的情况,主悬

挑梁采用 H 型钢梁或箱型钢梁。 悬挑长度 6. 4 m 时,

梁高为 1000 mm;悬挑长度 8. 4 m 时,梁高为 1200mm。

并通过设置调频质量阻尼器的方法,减小楼盖振动的

影响,满足楼盖竖向振动控制舒适度的要求。

(2)对于悬挑长度为 10 m 和 12 m 的区域,在端

部增设钢柱,将四层连接为一整体(图 11 ~ 图 12),形

成空腹桁架,增加了悬臂部分的整体刚度。 同时,形

成整体之后,整体楼盖的质量相对较大,需要在最不

利点施加更多的接近楼盖自振频率时的人行外力,才

能产生相当的激励响应。 而在办公区往往不会出现

大量的同频率行走的情况。

图 11 3F ~ 6F 悬臂段整体模型

3F ~ 6F 悬挑长度 10 m 的区域,主悬挑钢梁采用

700 × 1200 × 40 × 25 的箱型钢梁,端部钢柱采用 700

× 700 × 50 × 50 的箱型钢柱;7F ~ 10F 悬挑长度 12 m

的区域,主悬挑钢梁采用 600 × 1200 × 40 × 25 的箱型

钢梁,端部钢柱采用 600 × 800 × 50 × 50 的箱型钢柱。

图 12 7F ~ 10F 悬臂段整体模型

3. 9 超限审查专家意见及落实情况

在超限高层抗震专项审查会议中,专家组对该项

目提出以下几点审查意见:

(1)性能目标:竖向构件及斜柱所在位置受拉的

梁中震弹性;斜柱及所在位置受拉的梁大震不屈服。

·84· 福 建 建 筑 2024 年

(2)大于 8 m 的悬挑构件、斜柱及所在位置受拉

的梁,应考虑竖向地震为主的工况,按中震不屈服

复核。

(3)应复核楼盖舒适度,并完善相应设计。

(4)平面形状不规则、局部连接薄弱的楼板应进

行应力分析。 按照小震工况下楼板应力小于混凝土

抗拉强度标准值、中震工况下楼板钢筋不屈服的目

标,进行设计加强。

(5)出屋面女儿墙,应考虑双迎风面、双背风面

影响加大风荷载体型系数。

针对专家组提出的意见,该项目施工图阶段的落

实情况如下:

(1)进行中震、大震、竖向地震计算,复核承载力

计算结果。

(2) 对于悬挑较大的位置, 设计中, 考虑设置

TMD 调谐质量阻尼器,以满足楼盖舒适度要求。 施

工图阶段在最不利位置布置了 37 套电涡流型 TMD,

经现场实测,行走激励工况下竖向振动加速度测试极

值为 0. 0448 m / s

2

,满足规范要求。

(3)平面形状不规则、局部连接薄弱的楼板厚度

取 150 mm,并进行应力分析,根据应力分析结果加强

配筋。

(4)考虑出屋面女儿墙双迎风面、双背风面影

响,相应楼层体形系数放大一倍。

该项目于 2021 年 7 月通过超限高层抗震专项审

查,于 2021 年 9 月通过施工图审查,目前主体结构已

完工。

4 结语

(1)恒申集团总部大楼上部塔楼,由四个体块穿插

堆叠而成,体块之间的错动,造成了上部楼层收进或外

挑较大的情况出现。 在确保结构安全的前提下,如何

实现体块错动的效果,是该项目结构设计的关键点。

该项目结构方案比选过程中,注重概念设计,不断调整

结构布置,在综合评估空间利用率、结构受力性能、施

工工艺等因素后,最终选用(少墙)钢框架结构体系。

(2) 该项目存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸

突变和抗扭刚度弱的超限情况。 设计阶段采用抗震

性能化设计,取抗震性能目标略高于 D 级。 通过多程

序、多工况计算分析,分析结果表明,结构各阶段的性

能水准均能满足设定的性能目标。 对于超限审查专

家意见,施工图设计阶段,也采取对应的措施予以

加强。

(3)该项目上部各层均存在长悬臂的情况,悬挑

尺寸为 6. 4 m ~ 12 m,跨度较大。 经过计算分析并结

合审查专家意见,楼盖竖向振动舒适度的控制方案

为:悬挑长度为 6. 4 m 和 8. 4 m 的情况,通过设置调

频质量阻尼器的方法控制舒适度;悬挑长度为 10 m

和 12 m 的区域,在端部增设钢柱,将四层连接为一整

体,形成空腹桁架。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震设计规范

(2016 年版):GB50011—2010[ S]. 北京:中国建筑工业

出版社,2016.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 高层民用建筑钢结

构技术规程:JGJ 99—2015[ S]. 北京:中国建筑工业出

版社,2015.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 超限高层建筑工程

抗震设防专项审查技术要点:建质〔2015〕67 号[ S]. 北

京:2015.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 混凝土结构设计规

范(2015 年版):GB50010—2010[ S]. 北京:中国建筑工

业出版社,2015.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑楼盖结构振动

舒适度技术标准:JGJ/ T 441—2019[ S]. 北京:中国建筑

工业出版社,2020.

[6] 熊耀清,周劲炜,吴小宾,等. 科创园 1 号复杂结构方案

比选及超限分析[J]. 建筑结构,2020,50(19):98 - 106.

[7] 陈伟春,关颖翩,张锦润,等. 华润置地总部大厦塔楼结

构方案比选[J]. 建筑结构,2023,53(4):74 - 80,87.

[8] 柯玉伟,李斌,何宝华,等. 联想泰伦广场塔楼结构方案

比选与设计[J]. 建筑结构,2020,50(14):10 - 19.

2024 年第 01 期

总第 307 期

福 建 建 筑

Fujian Architecture & Construction

No 01·2024

Vol·307

穿层柱结构分析及对策研究

吴彦捷 丁立群

(厦门佰地建筑设计有限公司 福建厦门 361000)

摘 要:以同安新城市民服务中心项目为研究背景,针对其穿层柱不规则项进行专项分析。 通过整体及局部屈曲分析

方法复核计算长度系数合理性,并考虑构件初始缺陷、偏心弯矩 P - △效应、材料损伤等因素的综合影响,进行非线性

屈曲分析。 结果表明:采用有限元法数值模拟时,计算长度系数与理论结果相近,可作为设计计算的重要参考。 随着

初始缺陷 e0

/ L 增大、初始偏心△增大、弹性模量衰减,对穿层柱稳定性越不利,过大的压屈变形将导致穿层柱提前失稳

破坏。 通过中震性能分析、大震受剪截面分析、大震损伤判断、分层及合并包络设计、剪力放大系数及截面 N - M 曲线

等方面,综合考虑进行承载力设计,提出相应的构造加强措施,为往后项目穿层柱设计提供参考。

关键词: 穿层柱;屈曲稳定;非线性屈曲分析;承载力设计;加强措施

中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004 - 6135(2024)01 - 0085 - 08

Research on Structural analysis and measures ofcross - layer column

WU Yanjie DING Liqun

(Xiamen BIAD Architectural Design Co. ,Ltd,Xiamen 361000)

Abstract:Based on the research background of Tong ?an New Town Citizen Service Center project,this paper makes a special analysis of the

irregular term of the cross - layer column. The rationality of the calculated length coefficient is checked by the global and local buckling analysis method,and the nonlinear buckling analysis is carried out considering the comprehensive influence of the initial defects of the members,the P - △ effect of the eccentric bending moment and the material damage. The results show that the calculated length coefficient is

close to the theoretical result when the finite element method is used for numerical simulation,which can be used as an important reference

for design calculation. With the increase of the initial defect e0 / L,the increase of the initial eccentricity △ and the attenuation of the elastic

modulus,the stability of the cross - layer column is more unfavorable,and the excessive buckling deformation will lead to the early instability failure of the cross - layer column. The bearing capacity design is carried out through the comprehensive consideration of the performance

analysis of medium earthquake,the shear section analysis of large earthquake,the damage judgment of large earthquake,the design of layering and merging envelope,the shear amplification coefficient and the N - M curve of section,and the corresponding structural strengthening

measures are put forward to provide reference for the design of the cross - layer column in the future project.

Keywords:Cross - layer column; Buckling stability; Nonlinear buckling analysis; Design of bearing capacity; Strengthen measures

作者简介:吴彦捷(1989. 07— ),男,工程师。

E-mail:270386815@ qq. com

收稿日期:2023 - 09 - 21

0 引言

为满足建筑使用功能及外立面的效果,公共建筑

中大堂等主要大空间,常出现顶部多层楼板开洞结

构,以实现挑高视觉效果。 同时,为保证立面完整性,

在楼层处无法设置双向框架梁,此时形成了多层通高

的穿层柱。 因穿层柱计算长度大,存在线刚度弱等特

点,稳定性验算显得尤为重要;在水平力作用下,刚度

分配到的剪力也偏小,在中震大震情况下,局部普通

框架柱进入塑性状态,整体结构刚度退化内力重新分

布,将导致穿层柱剪力增大,从而发生损伤破坏。

在《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要

点》

[1]中,穿层柱被列入其他不规则项次内,需进行专

项分析及设计;方义庆[3]针对穿层柱提出等效侧向刚

度计算方法,解决穿层柱侧向刚度计算问题;付洁

等[3]总结了穿层柱常规设计方法与专项设计方法的

要点;张红光[4]

、辛力等[5] 对穿层柱进行专项屈曲稳

定分析,并复核大震下结构的安全性。 郑庆星等[6]利

用欧拉公式整理了常见柱子的临界长细比和高宽比,

便于判断由稳定或强度控制。

结合现有资料,对穿层柱的专项分析大多数处于

线性屈曲分析阶段。 考虑大变形的非线性屈曲分析

·86· 福 建 建 筑 2024 年

的研究相对较少,本文以同安新城市民服务中心项目

为研究背景,针对其穿层柱进行非线性屈曲分析及承

载力设计,并提出相应的加强措施,为往后项目穿层

柱设计提供参考。

1 工程概况

本项目位于厦门市同安区环东海域同安新城 12 -

14 片区厦门现代服务业基地(丙洲片区)D - 1 - 2 地块

北侧,滨海西大道与滨海旅游路(环湾西路)交叉口东南

侧。 项目总建筑面积为 51 500 m

2

,地上建筑面积为 37

500 m

2

,地下建筑面积为 14 000 m

2

(含人防地下室),建

筑高度37. 90 m ~39. 00 m(从室外地面起算至结构屋面

标高),地上共7 层,建筑整体布置图如图1 所示。

(a)总平面图 (b)效果图

图 1 建筑整体布置图

本工程存在扭转不规则、凹凸不规则、组合平面、

局部楼板不连续、局部竖向构件间断、局部穿层柱等

多项不规则项,属于超限高层建筑。 本文针对局部二

~ 五层多功能厅穿层柱进行专项分析,穿层柱示意图

如图 2 所示。

(a)三维模型 (b)平面图

(c)剖面图

图 2 穿层柱示意图

2 穿层柱屈曲分析

根据欧拉公式:

Pcr =

π

2EI

(μL)

2

(1)

式中:Pcr为临界屈曲荷载(kN);μ 为计算长度系

数;l 为计算长度。

λ =

l

i

(2)

i =

I

A

(3)

式中:λ 为长细比, I 为截面惯性矩, A 为截面

面积。

通过式(1)反算计算长度系数得出式(4):

μ =

1

l

π

2EI

Pcr

(4)

穿层柱 KZ1 混凝土标号 C55,弹性模量 E = 3. 55

× 10

4 MPa, 截 面 尺 寸 圆 柱 直 径 1. 5 m, 计 算 高 度

16 m。

根据式(2)及式(3)可得,穿层柱 KZ1 长细比 λ

= 54. 0,满足长细比限值要求。

同时,根据《混凝土规范》6. 2. 15 条,计算长径比

L / D = 13. 5,稳定系数 ϕ = 0. 89。

正截面受压承载力为:0. 9ϕf

c A = 0. 9 × 0. 89 ×

25. 3 × 1 766 250 / 1000 = 35 793. 6 kN,穿层柱 KZ1 轴

向力设计值均满足要求。

在前期方案阶段,设计可采用以上方法,初步判

断穿层柱截面合理性。

后续施工图设计中,构件长细比、计算长度系数、

材料强度、截面尺寸、整体刚度等因素,对穿层柱稳定

性设计,均起到重要的影响作用。

以穿层柱 KZ1 为例,分别采用整体及局部计算方

法进行专项分析。

2. 1 整体分析方法

结构失稳(屈曲),是指在外力作用下结构的平

衡状态开始丧失,稍有扰动变形便迅速增大,最后使

结构发生破坏,数学上归结为广义特征值问题。 通过

对特征值方程进行求解,来确定结构屈曲时的屈曲荷

载和破坏形态,并根据特征值和对应的特征值向量,

确定屈曲荷载和对应的变形形态。 每一组“特征值 -

特征向量”,为结构的一个屈曲模式。

特征值屈曲因子乘以结构中的荷载,就会引起结

构屈曲,即为屈曲荷载。 二阶效应系数,即为屈曲因

子的倒数。

2024 年 01 期 总第 307 期 吴彦捷,丁立群·穿层柱结构分析及对策研究 ·87·

对整体模型计算,选取前 15 阶模态,查看第 11

阶屈曲模态,如图 3 所示,穿层柱 KZ1 出现局部振动,

屈曲因子计算结果为 68. 007。

(a)整体模型 (b)第十一阶屈曲模态

图 3 穿层柱整体分析

提取该柱内力,恒载下 D = 9678. 9 kN,活载下 L

= 2734. 3 kN;D + L = 12 413. 2 kN;临界屈曲荷载:Pcr

= 12 413. 2 × 68. 007 = 844 184. 5 kN。 根据式(4)反

算计算长度系数;μ =0. 626,介于两端固端 0. 5 与固端

一端铰接 0. 7 之间,计算结果合理。 同时,根据《混凝

土规范》6. 2. 20 条,计算长度系数为 1. 25,满足要求。

2. 2 局部分析方法

本文采用通用有限元分析软件 ANSYS,建立穿层

柱 KZ1 三维模型。 模型以柱中轴线为基准,柱子本体

采用 Solid45 三维实体单元建模,网格划分 0. 15 m ×

0. 15 m × 1 m。 支座条件为底部固端顶部铰接,柱顶

施加单位节点力 1 kN 进行线性屈曲分析,取前 6 阶

模态,如图 4 所示。 屈曲因子计算结果如表 1 所示。

表 1 屈曲因子

模态数 屈曲因子

1 631610

2 631612

3 179790

4 179800

5 335330

6 335350

(a)1 阶模态 (b)2 阶模态 (c)3 阶模态

(d)4 一阶模态 (e)5 阶模态 (f)6 阶模态

图 4 穿层柱屈曲模态分析

根据计算结果表明:由于圆柱在 XOY 平面内为

双轴对称结构,故相邻两阶模态计算结果基本相近。

取单位节点力 1 kN 进行分析,因此第一阶屈曲因子

即为临界屈曲荷载,Pcr = 631 610 kN。

根据式(4)反算得计算长度系数 μ = 0. 734,与理

论值 0. 7 基本吻合。 事实证明,数值模拟屈曲线性分

析结果,可以有效反映穿层柱各阶屈曲模态及临界屈

曲荷载,为后续非线性分析提供基础。

2. 3 非线性屈曲分析

实际工程中,穿层柱受力通常无法完全满足线弹

性理论计算的假定。 本文考虑构件初始缺陷、偏心弯

矩 P - △效应、材料损伤等因素的综合影响,采用弧

长法,对穿层柱进行大变形非线性屈曲分析。

对穿层柱进行持续加载,极限值取 1. 5 倍临界屈

曲荷载,考虑初始缺陷 e0 = L / 300(参考《钢结构设计

标准》5. 2. 1 条,L / 300 约 50 mm)、初始偏心 150 mm

(取大震下该柱柱顶位移),得到穿层柱荷载与位移

曲线如图 5 所示。

图 5 穿层柱荷载 - 位移曲线

分析荷载位移曲线结果可得:

第一阶段,荷载由 F0持续加载至 Fe = 41 700 kN

时,曲线斜率平均值为 3. 70 × 10

6

。 此时穿层柱基本

处于弹性变形阶段,主要以轴向变形为主,弹性模量

Es =

F × L

ΔS × A

,统计得平均值为 3. 36 × 10

4 MPa,与 C55

·88· 福 建 建 筑 2024 年

弹性模量 Es = 3. 55 × 10

4 MPa 相近,误差约 5. 74% ,

基本符合线弹性理论计算结果。

第二阶段,荷载由 Fe 持续加载至变形限值时,曲

线斜率由 3. 70 × 10

6衰减至 3. 29 × 10

6

,柱产生 S1 =

0. 169 m 变形。 此时,穿层柱由轴向变形向剪切变形

过度。 挠曲变形接近 L / 100,近似为计算长度系数为

0. 5,且反弯点位于柱中部的框架结构大震下弹塑性

位移角 1 / 50 限值。

第三阶段,荷载由变形限值持续加载至 Pcr = 63

160 kN 时,穿层柱以达到屈曲临界荷载,曲线斜率由

3. 29 × 10

6衰减至 2. 73 × 10

6

,柱产生 Scr = 0. 233 m

变形,逐渐转变为以剪切变形为主,剪切模量 G = Es/

2(1 + μ) = 0. 417Es。 统计得平均值为 1. 37 × 10

4

Mpa,与 C55 剪切模量 G = 1. 48 × 10

4 Mpa 相近,误差

约7. 88% ,非线性阶段与线弹性理论计算结果存在一

定误差。 此时,穿层柱已进入弹塑性变形阶段,变形

逐渐增加,处于临界失稳状态。

第四阶段,穿层柱进入塑性变形,发生失稳破坏。

荷载由 Pcr 持续加载至 1. 5Pcr = 94 740 kN 时,位移

逐渐增加,最终变形量达 1. 17m,远超位移限值要求,

斜率逐渐减小趋于 0,已完全失效。

各阶段位移及单元应力如图 6 ~ 图 7 所示。

(a)第一阶段 (b)第二阶段

(c)第三阶段 (d)第四阶段

图 6 穿层柱各阶段位移

(a)第一阶段 (b)第二阶段

(c)第三阶段 (d)第四阶段

图 7 穿层柱各阶段单元应力

根据支座条件为底部固端顶部铰接,理论挠曲函

数如式(5):

y = ∑

တ

n = 1

Cn (cos

2n + 1

2l

πx - cos

2n - 1

2l

πx) (5)

= C1 (cos

3π

2l

x - cos

π

2l

x) + C2 (cos

5π

2l

x - cos

3π

2l

x) + …

式中:n 为挠曲函数的半波数,取 1,2,3,…;Cn

为未知常数项。 考虑前期第一阶段弹性小变形,选取

挠曲函数的半波数 n = 1,此时挠曲函数的未知常数

项为 1,得到挠曲位移函数如式(6):

y = C1 (cos

3π

2l

x - cos

π

2l

x)

= 4C1 (cos

3 π

2l

x - cos

π

2l

x) (6)

求导得最大挠曲变形位置:

y

′

= 4C1

sin

π

2l

x·(1 - 3cos

2 π

2l

x) = 0 (7)

求得 x = 0. 607L = 9. 744 m,与位移计算结果

吻合。

提取大震作用下穿层柱柱底最大轴力 Fmax为 22

675. 2 kN,小于 Fe = 41 700 kN,Fmax

/ Fe = 0. 544 小于

1. 0,证明该穿层柱在大震情况下,仍保持弹性受力状

2024 年 01 期 总第 307 期 吴彦捷,丁立群·穿层柱结构分析及对策研究 ·89·

态,确保穿层柱的安全性。

综上所述,针对穿层柱非线性分析数值模拟结果

与理论相符,可为穿层柱设计提供可靠依据。

2. 4 各非线性因素对屈曲分析的影响

2. 4. 1 初始缺陷

相同初始偏心情况下,分别取初始缺陷 1 / 100、1 /

200、1 / 300、1 / 400、1 / 500 进行分析,不同初始缺陷下

的荷载位移曲线如图 8 所示。

图 8 不同初始缺陷下的荷载 - 位移曲线

不同初始缺陷下,临界屈曲荷载对应的位移 Scr

及位移限值对应的荷载 F1 如表 2 所示。

表 2 不同初始缺陷的影响

初始缺陷 1 / 500 1 / 400 1/ 300 1 / 200 1/ 100

Scr(m) 0. 236 0. 242 0. 250 0. 268 0. 329

F1(N) 5. 31E +08 5. 26E +08 5. 17E +08 5. 00E +08 4. 47E +08

2. 4. 2 初始偏心

相同初始缺陷情况下,分别取初始偏心 50 mm、

150 mm、250 mm、500 mm、750 mm 进行分析,不同初

始偏心的荷载位移曲线如图 9 所示。

图 9 不同初始偏心下的荷载 - 位移曲线

不同初始偏心下,临界屈曲荷载对应的位移 Scr

及位移限值对应的荷载 F1 如表 3 所示。

表 3 不同初始偏心的影响

初始偏心

mm

50 150 250 500 750

Scr(m) 0. 228 0. 250 0. 275 0. 333 0. 384

F1(N) 5. 39E + 08 5. 17E + 08 4. 95E + 08 4. 49E + 08 4. 12E + 08

2. 4. 3 材料损伤

通过弹性模量衰减,考虑混凝土材料损伤。 分别

取弹性模量 3. 35 × 10

4 MPa、3. 40 × 10

4 MPa、3. 45 ×

10

4 MPa、3. 50 × 10

4 MPa、3. 55 × 10

4 MPa 进行分析,

不同材料损伤的荷载位移曲线如图 10 所示。

图 10 不同材料损伤下的荷载 - 位移曲线

不同材料损伤下,临界屈曲荷载对应的位移 Scr

及位移限值对应的荷载 F1 如表 4 所示。

表 4 不同材料损伤的影响

弹性模量

(10

4MPa)

3. 35 3. 40 3. 45 3. 50 3. 55

Scr(m) 0. 272 0. 261 0. 250 0. 240 0. 229

F1(N) 5. 02E +08 5. 10E +08 5. 17E +08 5. 25E +08 5. 32E +08

2. 4. 4 非线性因素影响总结

通过对初始缺陷、初始偏心及材料损伤的影响分

析,结果表明,随着初始缺陷 e0

/ L 增大、初始偏心△

增大、弹性模量衰减,越早达到位移限值,承受的荷载

相应减少,对穿层柱稳定性越不利;当达到临界屈曲

荷载 Pcr 时,位移也相应增大,变形及荷载增量基本

呈线性关系。 但在达到临界屈曲荷载 Pcr 前,位移已

超过限值要求,此时变形控制大于屈曲稳定性控制。

因此,在穿层柱设计过程中,除复核屈曲稳定外,还应

注意变形限值及承载力的要求。 过大的压屈变形,将

导致穿层柱提前失稳破坏。

3 穿层柱承载力设计

穿层柱设计除复核屈曲稳定外,还应进行构件承

载力设计验算,并采取加强措施。 以下通过几个方面

进行分析。

3. 1 中震性能分析

为提高穿层柱抗震性能,对其设定中震抗剪弹