文體中心項目結構抗震專項淺析

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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計專家論證。以太原市某具體工程為例，進行整體性能化設計，結構平面布置屬于一般不規則，通過采取合理的結構形式及構件布置，并對關鍵部位、薄弱部位采取有效的抗震加強措施，使結構具有良好的抗震性，通過對該結構進行詳細的抗震性能分析，表明該結構滿足既定的性能目標。

關鍵詞：公共建筑；性能化設計；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，室內外高差0．3m，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，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層局部設有人防層。風荷載為0．4kN／m2，場地類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0．2g，設計地震分組為第二組。據《太原市重要工程勘察設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，應進行重要工程勘察設計專家論證，結構進行整體性能化設計［1］。本項目根據結構縫分為三個部分，分區示意圖見圖2，本文僅以A區進行分析。

2結構不規則判定及對應措施

2．1結構不規則情況分析

結構不規則情況分析見表1，由表1可知，該結構存在平面布置不規則中的兩項不規則，屬于一般不規則；但本工程屬于公共建筑，周期比較大，進行整體性能化設計。

2．2針對性能化設計的計算分析及加強措施

2．2．1計算分析要求。1）采用兩種結構軟件，進行多遇地震作用分析，各項指標符合規范要求。2）時程分析法補充計算，選取5條天然波和2條人工波，各條波的分析結果滿足《建筑抗震設計規范》［2］5．1．2要求。3）進行抗震性能化設計，選定合適的性能目標，進行中震、大震下計算分析，保證結構構件滿足預設的性能目標。4）進行罕遇地震下的彈塑性分析，彈塑性層間位移比滿足《建筑抗震設計規范》5．5．5要求。并初步判斷結構的薄弱位置，保證結構達到大震不倒的設防目標。5）存在樓板開洞及樓板寬度小于典型樓板寬度的50％，補充樓板中震下應力分析，保證水平地震力的有效傳遞。2．2．2抗震設防性能目標。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》［3］3．11要求，整體結構抗震性能目標定為D級。結構各部位性能化設計的具體要求如表2所示。2．2．3性能化設計的加強措施。1）采用框架剪力墻結構，形成有效的抗側力體系，承擔地震作用產生的水平力；而連梁、框架梁作為耗能構件，在遭受強震時首先發生屈服，充分發揮塑性變形能力，有效耗散地震能量，從而減輕主體結構構件的損壞。2）合理布置剪力墻，保證結構水平整體剛度，使結構豎向不出現薄弱層、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）加強關鍵部位框架柱、剪力墻配筋，在中震配筋率較大部位加設型鋼，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，采用振型分解反應譜法計算地震作用。結構的整體計算模型如圖3所示。

3．2質量分析

兩種軟件計算的質量對比表如表3所示。兩種軟件計算的質量相近，誤差控制在3％以內，表明結構計算模型是可靠的，計算結果可作為分析結構的依據。

3．3模態分析

扭轉周期比及質量參與系數如表4所示。剛性板假定下，X向和Y向的質量參與系數均大于90％，第一周期和第二周期均為平動，第三周期為扭轉，扭轉周期比滿足規范要求。兩種軟件分析的模態參數結果誤差均在5％以內，分析結果吻合。

4小震彈性時程分析

根據《建筑抗震設計規范》4．3．4條和5．1．13條規定，應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譜分析的對比結果詳見表5。根據《建筑抗震設計規范》5．1．2條，結構構件設計采用的地震作用效應取時程分析平均值與反應譜分析結果的包絡值。

5中震等效彈性分析

依據設定的性能目標，對結構進行中震作用下等效彈性計算，復核各類結構構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。

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》條文說明附錄M．1．3規范要求。5．3中震不屈服驗算根據抗震性能目標，全部豎向構件均滿足中震不屈服要求。

6大震等效彈性分析

按照設定的性能目標要求，需對結構在大震作用下的構件承載力進行復核，確定其達到該結構設定的構件性能目標。采用YJK進行結構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，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。結果表明，采用等效彈性方法初步驗算結構的最大層間位移角均小于規范限值1／100，整體結構不會發生倒塌。

6．3大震不屈服驗算

根據抗震性能目標，全部豎向構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譜法計算結果的3倍～4倍，表明結構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。以上結果表明，最大層間位移角均小于規范限值1／100，滿足“大震不倒”的抗震性能目標。

8結論及建議

1）小震作用下，YJK和PMSAP兩種軟件在結構總質量、周期等主要控制指標計算結果吻合較好，滿足規范要求，可以作為工程設計的依據。2）小震彈性分析，七條地震波計算所得的結構底部剪力與振型分解反應譜法結果均滿足《建筑抗震設計規范》5．1．2條的要求。3）中震彈性分析，中震作用下結構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件配筋可滿足正截面抗彎不屈要求，對不滿足的增設型鋼實現中震抗彎不屈的性能目標。4）大震等效彈性分析，結構整體抗傾覆驗算滿足要求，最大層間位移角均小于規范限值1／100。5）大震作用下結構彈塑性層間位移角小于規范限值1／100，大震作用下樓層位移均小于抗震縫寬度，抗震縫兩側的單體不會發生碰撞。大部分框架柱、剪力墻為輕微～輕度損傷；局部出現中度～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:山西省建筑設計研究院有限公司