某超限高层结构抗震性能化设计

采用性能化设计方案, 对某超限高层抗震结构设计, 结构抗震性能的目标确定为在略高于D级, 采用了两种不同力学模型的结构分析软件进行整体结构分析计算。

1.工程概况

1.1工程简介

该项目位于成都市人民南路三段, 地面建筑面积为31756m2, 地下建筑面积为16395m2, 拟建筑物为1栋21层的职业病防治综合楼, 高81.75米, 设2层地下室, 局部设夹层;地上1层层高5.4m, 2~6层层高4.41m, 7层层高2.2m, 以上各层层高均为3.75m;地下部分为设备用房和车库, 地上部分为门诊、治疗、检验、手术、住院、教学、办公等。效果图如图所示, 采用框架-剪力墙结构。

1.2设计参数

主体结构设计使用年限为50年, 根据《建筑工程抗震设防分类标准》和《建筑抗震设计规范》, 建筑结构安全等级:一级, 抗震设防类别:重点设防;抗震设防的烈度为7度 (0.10g) , 设计基本地震加速度值:0.10g, 地震分组第三组, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期:0.45s;水平地震影响系数最大值αmax:0.08, 结构阻尼比:0.05;基本风压0.3KN/m2承载力计算时按1.1倍基本风压, 地面粗糙度为C, 基本雪压0.1KN/m2.

1.3抗震等级

2结构设计

2.1地上部分结构平面布置:1~4层裙房为矩形, 平面如图 (一) , 5~16层呈L形平面如图 (二) , 17层以上收进为一字形平面如图 (三) 。

2.2结构超限判定: (1) 5~16层左端平面凸出的尺寸大于相应投影方向的35%, 小于50%, 为平面不规则。 (2) 17层平面收进, 相邻层质心相差大于相应边长15%, 形成平面扭转不规则。 (3) 5层楼面抗侧结构层间受剪承载力小于其相邻上层受剪承载力的80%, 但大于65%, 承载力突变, 造成竖向不规则。其它不规则有6层设备层, 层高2.2m, 框架柱形成极短柱。

2.3结构抗震性能目标的确定, 根据该项目的超限情况, 综合设防类别, 地震设防烈度, 场地条件, 该建筑的使用功能, 本工程性能水准为1、3、5。 (1) 小震, 宏观损坏程度:完好、无损坏, 关键构件 (底部加强部位的剪力墙、角柱、平面收进后形成的角柱及对应位置的下层柱) 、普通竖向构件 (除上述关键构件外的竖向构件) 、耗能构件 (框架梁及连梁) , 满足常规设计的各项要求, 不需修理即可使用, 位移角不大于1/1000。 (2) 中震, 宏观损坏程度:轻度损坏, 关键构件、普通竖向构件抗剪弹性, 抗弯不屈服;耗能构件抗剪不屈服, 部分抗弯屈服;一般修理后可继续使用。 (3) 大震, 宏观损坏程度:较严重的损坏;关键构件, 抗剪不屈服, 个别构件抗弯屈服;普通竖向构件, 抗弯较多屈服, 抗剪满足最小截面要求;耗能构件, 抗弯普遍屈服, 抗剪满足最小截面要求。

3结构分析

用不同的力学模型SATWE、PMSAP和ETABS按现行规范规定的弹性方法计算分析, 其周期、周期比、水平剪力系数、楼层侧向刚度、层间受剪承载力、位移角等基本一致。

3.1小震弹性分析

按《建筑抗震设计规范》进行多遇地震下时程分析, 采用小震振型反应谱法补充计算, 选用SATWE进行弹性时程分析, 选取2组H天然波 (TH2TG045) 和 (TH3TG045) 及一组人工波 (RH2TG045) 进行时程分析结果如表 (二)

由上表可知三条时程曲线在主方向作用下基底剪力与反应谱法分析结果的比值在76%~98%之间, 其时程曲线对应的就基底剪力平均值不小于反应谱法分析结果的81.5%。每条时程曲线在主方向作用下的最大弹性层间角均小于1/800的限值, 由上可知基底剪力和位移角均满足“高规”对应指标的要求。

对最大楼层位移曲线和最大层间位移曲线分析, 各楼层反应谱法的结果均大于时程分析各波的结果;最大楼层弯矩图中其反应谱法计算的结果也超其地震波平均效应;最大楼层剪力图, 仅个别楼层 (5~8层、18~19层) 出现其波值略大的情况 (楼层剪力偏大5%) , 在5~8层、18~19层配筋设计采用包络值进行, 其地震作用标准值第5层乘以1.25的增大系数, 6~8层、18~19层乘以1.1的增大系数, 其余无需调整。

3.2中震水准下性能分析

按照设定的抗震性能目标要求, 需对结构在中震作用下构件的承载力进行复核, 确定其到达设定的抗震构件抗震性能目标。分析采用SATWE软件进行中震弹性, 中震不屈服计算 (等效弹性计算方法) 。调整中震等效弹性计算参数, 进行计算。计算分析表明底部加强区的剪力墙抗剪弹性, 抗弯不屈服。其关键构建满足上述中震性能目标。

3.3大震分析

运用PKPM2010 EPDA模块进行大震下的弹塑性时程分析, 弹塑性时程分析采用前述的三条波, 按双向地震计算, 主方向峰值加速度取220cm/s2, 次方向取187cm/s2, 各条波持续时间取15秒, 每组地震波均计算两次, 分别将其主方向对应的结构模型的X向和Y向。计算分析表明, 结构构件塑性铰依次开展, 首先部分连梁进入塑性, 其后部分框架梁梁端出现塑性铰, 然后剪力墙开始进入塑性发展阶段, 框架角柱未出现塑性铰, 3组地震波得到的平均最大层间位移角X向为1/243, Y向1/325, 小于1/100, 由此说明结构具有足够的刚度储备和内力重分布能力, 到达大震不到, 满足大震下的位移。达到了高于“D”级, 接近“C”级的性能目标。

4.抗震不利情况及加强措施

4.1:第5层出现受剪承载力不足薄弱层, 计算时其地震作用标准值除对该层乘以1.25的增大系数外, 控制该层柱的轴压比不超0.7, 采用设芯柱提高抗剪和抗拉增加柱延性, 对其柱纵筋进行加强, 同时控制单侧纵向钢筋不大于1.2%;箍筋直径不小于12, 肢距不大于200, 间距不大于100, 采用三级钢, 体积配箍率不小于1.5%。

4.2:对多遇地震出现的个别波结果略大的情况, 其地震作用标准值对7、8、9层和18、19层乘以1.1的增大系数进行设计并对其配筋

4.3:加强5~17层平面L形角柱纵筋与箍筋的配置, 箍筋全长加密, 体积配箍率不小于1.2%.

4.4:对17层体形收进, 刚心与质心不重合导致结构扭转效应明显, 为增加其抗钮刚度, 加厚端山墙剪力墙厚度, X向外围剪力墙厚度, 弱化中部墙肢及连梁, 板厚加强为150, 板配筋率按不小于0.25%进行加强;该层角柱按中震弹性核算包络设计;对17层及上下层剪力墙按约束边缘构件进行配筋加强。

结论

本工程根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010有关规定采用抗震性能设计方法, 性能目标高于“D”级、接近“C”级采用SATWE PMSAP ETABS程序进行小震下的振型分解反应谱法对比计算, 计算结果较接近且满足规范要求, 表明所选程序合适, 计算结果可靠。从SATWE振型分解反应谱法及弹性时程分析的计算结果来看, 二者所呈现的结构反应特征及变化规律一致, 进一步论证了结构特性的正常, 且振型分解反应谱法结果基本包络时程分析的结果。在中震和大震水准下, 采用EPDA软件进行弹塑性时程分析验算, 其结果验证各构件均能达到既定的既定的性能目标, 方法行之有效。该项目2015年6月通过超限审查, 主体结构施工已封顶。

摘要：某超限高层结构, 采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 为使结构的抗震性能提高, 该工程采用了性能化方案设计。采用SATWE计算模型进行小震、中震分析计算, 大震下EPDA弹塑性时程分析计算。结构满足小震弹性, 中震下关键构件抗剪弹性、抗弯不曲复, 满足大震下该建筑物的弹塑性层间位移角规定。

关键词：超限高层结构,抗震结构,性能化设计