文體中心項目結(jié)構(gòu)抗震專項淺析

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摘要：單體建筑面積大于5萬m2以上的公共建筑屬于重要工程，進行重要工程勘察設(shè)計專家論證。以太原市某具體工程為例，進行整體性能化設(shè)計，結(jié)構(gòu)平面布置屬于一般不規(guī)則，通過采取合理的結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件布置，并對關(guān)鍵部位、薄弱部位采取有效的抗震加強措施，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性，通過對該結(jié)構(gòu)進行詳細的抗震性能分析，表明該結(jié)構(gòu)滿足既定的性能目標。

關(guān)鍵詞：公共建筑；性能化設(shè)計；抗震加強措施；性能目標

1工程概況

本工程位于山西省太原市，地上5層，地下2層，建筑總高度22．300m，室內(nèi)外高差0．3m，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級為剪力墻二級、框架三級，跨度大于18m框架及錯層部位框架抗震等級二級。地下2層層高4．0m，地下1層層高5．4m（局部3．6m），地上1層層高5m，2層4．4m，3層～5層為4．2m，建筑鳥瞰圖見圖1。其中地下2層局部設(shè)有人防層。風荷載為0．4kN／m2，場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0．2g，設(shè)計地震分組為第二組。據(jù)《太原市重要工程勘察設(shè)計專家論證管理辦法》，單體建筑面積大于5萬m2以上的公共建筑屬于重要工程，本工程建筑面積為7．9萬m2，屬于重要工程，應(yīng)進行重要工程勘察設(shè)計專家論證，結(jié)構(gòu)進行整體性能化設(shè)計［1］。本項目根據(jù)結(jié)構(gòu)縫分為三個部分，分區(qū)示意圖見圖2，本文僅以A區(qū)進行分析。

2結(jié)構(gòu)不規(guī)則判定及對應(yīng)措施

2．1結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況分析

結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況分析見表1，由表1可知，該結(jié)構(gòu)存在平面布置不規(guī)則中的兩項不規(guī)則，屬于一般不規(guī)則；但本工程屬于公共建筑，周期比較大，進行整體性能化設(shè)計。

2．2針對性能化設(shè)計的計算分析及加強措施

2．2．1計算分析要求。1）采用兩種結(jié)構(gòu)軟件，進行多遇地震作用分析，各項指標符合規(guī)范要求。2）時程分析法補充計算，選取5條天然波和2條人工波，各條波的分析結(jié)果滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［2］5．1．2要求。3）進行抗震性能化設(shè)計，選定合適的性能目標，進行中震、大震下計算分析，保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足預設(shè)的性能目標。4）進行罕遇地震下的彈塑性分析，彈塑性層間位移比滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5．5．5要求。并初步判斷結(jié)構(gòu)的薄弱位置，保證結(jié)構(gòu)達到大震不倒的設(shè)防目標。5）存在樓板開洞及樓板寬度小于典型樓板寬度的50％，補充樓板中震下應(yīng)力分析，保證水平地震力的有效傳遞。2．2．2抗震設(shè)防性能目標。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［3］3．11要求，整體結(jié)構(gòu)抗震性能目標定為D級。結(jié)構(gòu)各部位性能化設(shè)計的具體要求如表2所示。2．2．3性能化設(shè)計的加強措施。1）采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，形成有效的抗側(cè)力體系，承擔地震作用產(chǎn)生的水平力；而連梁、框架梁作為耗能構(gòu)件，在遭受強震時首先發(fā)生屈服，充分發(fā)揮塑性變形能力，有效耗散地震能量，從而減輕主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。2）合理布置剪力墻，保證結(jié)構(gòu)水平整體剛度，使結(jié)構(gòu)豎向不出現(xiàn)薄弱層、軟弱層。3）大跨度框架梁柱采用型鋼混凝土，框架抗震等級由三級提高為二級。4）錯層處剪力墻抗震等級由二級提高到一級，剪力墻的配筋率不應(yīng)小于0．5％；錯層處框架抗震等級由三級提高為二級，且箍筋全高加密。5）加強關(guān)鍵部位框架柱、剪力墻配筋，在中震配筋率較大部位加設(shè)型鋼，提高框架柱、剪力墻的抗剪、抗彎性能。6）加強開洞部位梁板連接，周圍板厚取h＝150mm，采用雙層雙向配筋，保證水平地震力可有效傳遞。

3小震振型分解反應(yīng)譜分析

3．1整體計算的模型

本工程采用YJK2．0．3和PMSAP軟件進行多遇地震下彈性計算，采用振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用。結(jié)構(gòu)的整體計算模型如圖3所示。

3．2質(zhì)量分析

兩種軟件計算的質(zhì)量對比表如表3所示。兩種軟件計算的質(zhì)量相近，誤差控制在3％以內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)計算模型是可靠的，計算結(jié)果可作為分析結(jié)構(gòu)的依據(jù)。

3．3模態(tài)分析

扭轉(zhuǎn)周期比及質(zhì)量參與系數(shù)如表4所示。剛性板假定下，X向和Y向的質(zhì)量參與系數(shù)均大于90％，第一周期和第二周期均為平動，第三周期為扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)周期比滿足規(guī)范要求。兩種軟件分析的模態(tài)參數(shù)結(jié)果誤差均在5％以內(nèi)，分析結(jié)果吻合。

4小震彈性時程分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》4．3．4條和5．1．13條規(guī)定，應(yīng)采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。本項目采用YJK2．0．3軟件進行彈性時程分析。七條時程波作用下各樓層平均剪力與反應(yīng)譜分析的對比結(jié)果詳見表5。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5．1．2條，結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計采用的地震作用效應(yīng)取時程分析平均值與反應(yīng)譜分析結(jié)果的包絡(luò)值。

5中震等效彈性分析

依據(jù)設(shè)定的性能目標，對結(jié)構(gòu)進行中震作用下等效彈性計算，復核各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否滿足既定的抗震性能目標。

5．1基底剪力和傾覆力矩

中震等效彈性方法所得基底剪力與多遇地震作用計算結(jié)果比較見表6。中震等效彈性計算的基底剪力和傾覆力矩約為小震的2倍～3倍，中震作用在合理范圍之內(nèi)。

5．2層間位移角利用YJK軟件分析得到中震作用下各層層間位移角見表7，中震作用下層間位移角滿足《抗規(guī)》條文說明附錄M．1．3規(guī)范要求。5．3中震不屈服驗算根據(jù)抗震性能目標，全部豎向構(gòu)件均滿足中震不屈服要求。

6大震等效彈性分析

按照設(shè)定的性能目標要求，需對結(jié)構(gòu)在大震作用下的構(gòu)件承載力進行復核，確定其達到該結(jié)構(gòu)設(shè)定的構(gòu)件性能目標。采用YJK進行結(jié)構(gòu)的大震不屈服等效彈性計算。

6．1基底剪力與傾覆力矩

大震等效彈性方法所得基底剪力和傾覆力矩與多遇地震作用下的進行比較，結(jié)果表明，大震的基底剪力和傾覆力矩約為小震的4倍～5倍，大震作用在合理范圍之內(nèi)，見表8。

6．2層間位移角

大震作用下最大樓層層間位移角詳見表9。結(jié)果表明，采用等效彈性方法初步驗算結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均小于規(guī)范限值1／100，整體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生倒塌。

6．3大震不屈服驗算

根據(jù)抗震性能目標，全部豎向構(gòu)件均滿足大震不屈服要求。

7大震動力彈塑性時程分析

7．1彈塑性基底剪力

基底剪力統(tǒng)計表見表10。由表10可知，大震彈塑性分析得到的基底剪力約為小震振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的3倍～4倍，表明結(jié)構(gòu)在大震作用下的塑性變形消耗了部分地震能量；另一方面也說明這三條時程波曲線輸入的地震激勵可以達到罕遇地震水平。

7．2彈塑性位移角

X向，Y向最大層間位移角匯總見表11。以上結(jié)果表明，最大層間位移角均小于規(guī)范限值1／100，滿足“大震不倒”的抗震性能目標。

8結(jié)論及建議

1）小震作用下，YJK和PMSAP兩種軟件在結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、周期等主要控制指標計算結(jié)果吻合較好，滿足規(guī)范要求，可以作為工程設(shè)計的依據(jù)。2）小震彈性分析，七條地震波計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5．1．2條的要求。3）中震彈性分析，中震作用下結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算滿足要求，對抗剪截面不足的個別框架柱通過埋設(shè)型鋼，形成型鋼混凝土柱，提高截面抗剪承載力，達到中震抗剪不屈服的性能目標。大部分剪力墻邊緣構(gòu)件配筋可滿足正截面抗彎不屈要求，對不滿足的增設(shè)型鋼實現(xiàn)中震抗彎不屈的性能目標。4）大震等效彈性分析，結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算滿足要求，最大層間位移角均小于規(guī)范限值1／100。5）大震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角小于規(guī)范限值1／100，大震作用下樓層位移均小于抗震縫寬度，抗震縫兩側(cè)的單體不會發(fā)生碰撞。大部分框架柱、剪力墻為輕微～輕度損傷；局部出現(xiàn)中度～重度損傷，部分鋼筋屈服。通過增加墻體配筋率和增加型鋼的措施，可有效改善該損傷情況，以滿足大震作用下性能目標。

作者:王飛 單位:山西省建筑設(shè)計研究院有限公司