某图书馆D栋超限高层建筑抗震分析与研究.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）某图书馆栋超限高层建筑抗震分析与研究刘中，刘怀斌（电子科技大学 后勤保障部，四川省成都市高新区（西区）西源大道 号 ；四川省建筑科学研究院有限公司，四川省成都市金牛区一环路北三段 号 ）摘要：某图书馆栋采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，结构存在平面扭转不规则、楼板局部不连续、构件间断、其他不规则（局部穿层柱）等不规则项，属于超限高层结构，结合其特点，需对其进行结构抗震分析与研究。采用 和 两种软件对结构在多遇地震作用下进行反应谱分析，两种软件的周期、基底剪力、最大层间位移角、楼层位移等各项计算结果十分相近。采用 软件对结构在设防地震作用下进行构件性能分析，剪力墙、框架柱和框架梁均能满足抗剪弹性、抗弯不屈服的预期性能水准。采用 软件对结构在罕遇地震作用下进行了动力弹塑性分析，确保主体结构抗震安全性。研究结果表明，结合其加强措施和专项分析，该结构整体设计满足规范要求。关键词：图书馆；超限高层建筑；反应谱分析；性能分析；动力弹塑性分析中图分类号：；文献标识码：我国城市化和城市高质量发展日益显著，大量个性化、多样化且具有地方特色建筑依托城市空间展开，而且成为推动城市发展不可或缺的一个重要因素。目前，国内现行建筑设计规范采用常见结构形式、最大适用高度等措施来保障建筑物的结构可靠性。若采用了非常规的结构形式或超过限定最大适用高度，称该建筑物为超限建筑，应进行抗震专项分析并进行抗震设防专项审查 。因此，对于超限高层建筑设计应当结合结构平面和竖向的规则性、既有高层建筑结构震害及破坏机制等，通过“两阶段设计”来实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标。以某图书馆栋建筑结构设计为例，对其多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震进行深入分析并提出加强措施，可为类似超限工程项目抗震分析提供参考。工程概况某图书馆按照建筑整体功能布局为个功能分区组成，上部结构设抗震缝形成上述个相对独立的结构单体，用地面积（建设净用地面积），总建筑面积约 。建成后的该图书馆功能上充分满足了公共性和开放性的需求，实现了项目既为该市共建共享的文体资源，同时又为周边居民提供文体服务。栋地下层为车库，地上层为书库、办公室及阅览室等，框架剪力墙结构，总面积 （地上建筑面积 ，地下建筑面积 ），建筑剖面图见图所示。结构分析采用的参数如下 ，：结构设计使用年限为 年；建筑结构安全等级为二级（结构重要性系数为）；建筑抗震设防分类为重点设防类（乙类），抗震设防烈度为度，图栋建筑剖面图 收稿日期：修回日期：第一作者简介：刘中（），男，四川安岳人，工程师，主要从事工程结构、既有建筑维修改造等工作。：构造措施为度（应按高于本地区抗震设防烈度度的要求加强其抗震措施）；设计基本地震加速度值为 ，设计地震分组为第一组；场地类别为类，建筑场地属建筑抗震一般地段，特征周期为 ，阻尼比为 ；年一遇基本风压为 ，地面粗糙度类别为类。结构体系栋考虑建筑平面柱网跨度大，楼面荷载较大，南立面局部屋盖结构跨度大等特点，整体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙钢筋混凝土和钢网架混合屋盖结构。电梯井和南立面两角部楼梯间采用剪力墙结构，其余部位采用框架结构。层平面及以上抽除部分框架柱，形成楼板大洞口。屋盖结构局部采用双层正方四角锥上承式网架，主要承受屋面竖向荷载，屋盖与下部混凝土结构之间设置铰支座。该房屋整体抗侧刚度主要由钢筋混凝土框架和剪力墙提供，因此结构的抗侧力体系为钢筋混凝土框架剪力墙结构。钢网架屋盖与混凝土结构柱顶、梁顶、墙顶采用铰支座连接，利于空间桁架的后安装以及钢屋盖与混凝土结构的分阶段施工，可尽量降低温度对结构的影响。超限及抗震性能目标根据现行的有关规定 ，本结构高度不超限但存在平面扭转不规则、楼板局部不连续、构件间断、其他不规则（局部穿层柱）等项不规则项，属超限结构。鉴于本工程的超限水平和结构特点，并根据 高层建筑混凝土结构技术规程第 条的要求，本工程的抗震性能目标为级，具体见表所示。表构件抗震性能目标 地震水准 多遇地震设防地震罕遇地震抗震目标 没有破坏有破坏，可修复不可倒塌允许层间位移犺 犺 剪力墙弹性抗剪弹性、抗弯不屈服验算底部 加 强 区 剪 力 墙 轻微损坏；一般区域剪力墙部分中度损坏框架柱弹性抗剪弹性、抗弯不屈服验算底部 加 强 区 框 架 柱 轻微损坏；一般区域框架柱部分中度损坏框架梁弹性抗剪弹性、抗弯不屈服验算转换梁轻微损坏；普通梁大部分中度损坏，部分比较严重损坏结构计算分析 计算分析模型整体计算取地下室抗水板顶作为上部结构的嵌固端，小震弹性反应谱分析、小震弹性时程分析及中震等效弹性分析采用 软件进行整体分析。采用 作小震弹性反应谱分析，并进行对比分析 和 验 证，确 保 方 案 的 可 靠 性。采 用 软件进行罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析。多程序计算模型见图。（）（）（）图多程序计算模型 小震分析 多遇地震下的弹性反应谱分析采用 和 两种软件对结构进行多遇地震弹性反应谱分析，对应的计算结果汇总见表。表多遇地震弹性反应谱计算结果 计算程序 上部结构总质量 结构自振周期（）犜 （犡）（犡）犜 （犢）（犢）犜 （犜）（犜）犜犜 水平地震作用犡向犢向有效质量系数 基底剪力 及剪重比 （）（）最大层间位移角 规定水平力下最大楼层位移比 最小楼层抗剪承载力比 有效质量系数 基底剪力 及剪重比 （）（）最大层间位移角 规定水平力下最大楼层位移比 最小楼层抗剪承载力比 河北水利电力学院学报 计算程序 风荷载作用犡向最大层间位移角 犢向最大层间位移角 由表可见，两种不同计算软件的各项计算结果十分相近，说明各项计算结果有效且合理。前两阶振型均为同向平动，周期比（扭转周期与第一平动周期）均小于 。水平地震作用和风荷载作用的最大层间位移角远小于限值 。规定水平力下最大楼层位移比超过了 的限值，但小于，且最大层间位移角为 ，小于规范限值 的（）。综上所述，两种不同力学模型软件的各项计算结果在结构刚度和变形上较为吻合，能够较为准确地模拟结构构件的力学性能，各项计算结果均满足规范要求，结构设计是可靠的。多遇地震下的弹性时程分析采用 软件进行弹性时程分析，在充分考虑地震波的频谱特性、有效峰值及持续时间的前提下，结合本结构的建筑场地类别和设计地震分组，选用两条天然地震波记录和一条人工波记录的加速度时程曲线（见图、图、图）进行弹性时程分析，分别为人工波、天然波和天然波。地震波加速度时程曲线的最大值为 ，时间间隔均为 ，有效持续时间大于结构基本自振周期 倍，所选时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符（见图）。图人工波加速度时程曲线 图天然波加速度时程曲线 图天然波加速度时程曲线 图地震波平均谱与规范谱对比 时程分析法与反应谱法计算结果对比见表。由表可见，时程分析法与反应谱法计算结果基底剪力基本一致，且条时程曲线计算得到的底层剪力均大于 法计算结果的，平均 值 大 于 法计算结果的，地震波符合规范要求。最后将按条波的基底剪力与 法的比值对 法的内力进行调整用作构件设计。时程分析法各条地震波计算所得最大层间位移角平均值分别为 （犡向）和 （犢向），均满足设计要求。说明本工程结构体系的稳定性较好，不会因个别构件的增减而导致动力特性的较大改变。同时 法的结果对本工程的计算具有很好的包络性。故 法应用于本工程进行小震弹性设计是可靠的。第期刘中等：某图书馆栋超限高层建筑抗震分析与研究表时程分析法与反应谱法结果对比 地震波人工波天然波天然波平均值 法犡向基底剪力 与 法之比 犢向基底剪力 与 法之比 犡向最大层间位移角 犢向最大层间位移角 中震分析采用振型分解反应谱法进行中震计算，结合 高层建筑混凝土结构技术规程中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，进行结构构件性能计算分析。中震等效反应谱计算的参数选取见表。计算结果表明，地震作用下，最大层间位移角分别为 （犡向）和 （犢向）；基底剪力与小震的比值分别为 （犡向）和 （犢向）；剪重比分别为 （犡向）和 （犢向）；剪力墙、框架柱和框架梁均能满足在设防地震作用下抗剪弹性、抗弯不屈服的预期性能水准。表中震等效反应谱计算的参数选取 计算参数名称中震不屈服中震弹性荷载分项系数 和小震弹性相同材料强度取值标准值和小震弹性相同承载力抗震调整系数 和小震弹性相同风荷载计算不计算不计算地震最大影响系数 特征周期 周期折减系数 结构阻尼比 连梁刚度折减系数 构件地震力调整不考虑不考虑 大震分析为了研究本结构在罕遇地震下的安全性，对其主要抗侧力构件进行抗震性能评价，采用动力弹塑性分析方法 对本结构在大震作用下进行验算和分析。本工程动力弹塑性分析采用人工波、天然波和天然波等组地震波，阻尼比为 ，加速度峰值取 ，计算结果见表、表。不同地震波组对应的基底剪力时程曲线分别见图和图。表地震动作用下弹塑性大震基底剪力和剪重比 工况主方向基底剪力剪重比人工波犡犡主向 天然波犡犡主向 天然波犡犡主向 人工波犢犢主向 天然波犢犢主向 天然波犢犢主向 由表可见，组地震波作用下结构在犡，犢两个主方向基底剪力最大值分别为 和 ，对应的剪重比分别为 和 ，对应的地震波组均为人工波。表地震动作用下弹塑性大震位移 工况主方向最大顶点位移最大层间位移角位移角对应层人工波犡 犡主向 天然波犡 犡主向 天然波犡 犡主向 人工波犢 犢主向 天然波犢 犢主向 天然波犢 犢主向 由表可见，结构在犡方向的最大层间位移角为 （第层），对应的地震波组为天然波犡。结构在犢方向的最大层间位移角为 （第层），对应的地震波组为天然波犢。结构在犡、犢两个方向平均层间位移角均满足规范钢筋混凝土框架剪力墙在大震作用下层间位移角限值 的要求。鉴于本结构存在项不规则，罕遇地震作用下需对构件性能情况进行分析。通过计算可知：剪力墙大多均处于无损伤状态，部分处于轻微损坏，部分处于轻度损坏，个别处于中度损坏。框架梁大多处于轻微损坏，部分处于轻度损坏，个别处于中度河北水利电力学院学报 损坏。框架柱大多处于轻微损坏，部分处于轻度损坏。楼板大多处于无损伤状态，部分楼板处于轻微损坏，部分楼板处于轻度损坏，个别楼板处于中度损坏，个别楼板处于重度损坏。罕遇地震作用下仍然可承担竖向荷载，不会出现垮塌现象，楼板在大震下性能良好。综上，结构在罕遇地震作用下的受力性能满足设计要求。图不同地震波组犡向基底剪力时程曲线 图不同地震波组犢向基底剪力时程曲线 专项分析 屋架分析本工程屋盖钢结构为大跨网架结构体系且单独形成一个结构体系，因此采用 对网架结构进行专项分析。在上述整体结构计算中，将网架计算所得的网架杆件信息输入到整体模型中，来考虑网架与下部混凝土结构的共同工作效应。网架结构采用正放四角锥网架，网架高度为，采用上承式，材料强度为 ，支座边界条件设置时考虑了下部混凝土柱和混凝土梁的刚度作用，具体布置情况见图。图网架结构构件布置情况 网架结构上弦杆的恒载和活载分别为、，下弦杆的恒载为 ，将所有面荷载导到节点，对节点施加 自重的节点自重模拟螺栓球，风荷载为 。结果表明，网架结构轴力最大值为 ，所有构件应力均满足设计要求；网架结构位移最大值为 ；挠度为 ，小于限值 的要求。穿层柱分析由于建筑功能的需要，该结构框架柱在二层存在穿层的情况，缺乏楼层内梁板的侧向支撑，形成穿层柱且对其的实际计算长度进行分析。通过在穿层柱的两端加轴线方向上的力，进行屈曲分析后得到柱的屈曲模态以及屈曲荷载系数，即可求得柱的屈曲临界荷载。按照欧拉公式犘 犈 犐（犔）（式中，犘 为构件屈曲临界荷载，犈 犐为构件弹性抗弯模量，犔为构件几何长度，为构件计算长度系数），反算出柱的计算长度犔犔犈 犐犘槡，计算所得的计算长度系数小于，穿层柱混凝土受压损伤因子小于 且处于无损坏状态，故穿层柱不会发生屈曲失稳，构件的力学特性满足设计要求。加强措施针对本工程抗震设防类别为乙类、项一般不规则的抗震超限结构，在结构设计计算中应增加下列加强措施进行抗震验算：（）提高关键部位构件抗震性能目标。中震作用下所有构件均提高到抗剪弹性、抗弯不屈服；大震作用下底部加强区剪力墙、框架柱和转换梁由轻度损坏提高到轻微损坏。（）加强结构抗扭刚度。大空间结构本身的抗扭刚度较弱，设计中在顶层平面内设置层内框架梁，加强屋盖结构平面内的刚度和整体性，从而提高整体结构的抗扭刚度。此外，针对结构平面布置中质量中心与刚度中心偏置，水平地震作用下结构扭转效应较明显的特点，对下部钢筋混凝土框架进行合理布置，在获得足够的侧向刚度的前提下，楼梯间、电梯井的剪力墙和框架柱沿周边适当加大，提高结第期刘中等：某图书馆栋超限高层建筑抗震分析与研究构抗扭刚度，降低楼层位移比。（）加强结构薄弱部位。针对三层楼板缺失较大的问题，对洞口周边楼板进行加强，提高洞口部位楼板的配筋。（）加强框架的抗震等级。本结构框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的，但小于，按框架剪力墙结构进行设计。但考虑剪力墙在平面内分布不均匀，框架部分的抗震等级按框架结构进行设计，抗震等级由三级提高为二级。（）采用合理的屋盖结构形式。针对结构屋盖的布置特点，有针对性的选择正放四角锥网架，在保证结构承载能力的前提下，实现了轻盈的建筑效果。屋盖结构纵向长度较长，在施工图设计中将考虑屋盖支座采用橡胶支座等形式，适当释放温度变形，减小温度作用，同时可降低地震作用效应，提高整体结构抗震性能。结论根据该建筑结构存在的项不规则内容，结合其特点，通过对结构在小震、中震和大震作用下的分析与研究，得出主要结论如下：（）通过 、分析，结构在多遇地震下各构件满足弹性设计下的强度要求，并且结构的周期、周期比、层间位移、层间位移比、层间刚度比、层间承载力比都满足规范要求，且两个软件分析得到的各项指标都基本接近，说明计算模型的稳定性较好。通过弹性时程分析与 对比，说明在抗震分析中采用 分析是可靠的。（）通过 分析，剪力墙、框架柱和框架梁均能满足在设防地震作用下抗剪弹性、抗弯不屈服的预期性能水准。（）通过 进行罕遇地震弹塑性时程分析，结构在大震下的层间位移角小于规范限值，各类构件都实现了预定性能目标。该建筑能满足既定性能目标的要求。参考文献付洁，王岚，陈宏，等超限高层建筑结构抗震分析与设计探讨建筑结构，（）：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 中华人民共和国住房和城乡建设部建筑抗震设计规范：（年版）北京：中国建筑工业出版社，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：北京：中国建筑工业出社，李子懿，肖从真，李建辉，等复杂高层建筑结构抗震设计方法研究现状与展望建筑科学，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部建筑结构荷载规范：北京：中国建筑工业出版社，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：北京：中国建筑工业出版社，四川省住房和城乡建设厅四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准：成都：西南交通大学出版社，康谨之，欧进萍消能减震结构抗超大震性能分析与设计合肥工业大学学报（自然科学版），（）：桂长沙世茂广场塔楼结构设计建筑钢结构进展，（）：陈俊杰，鲁志雄，陈睦锋，等某超限高层结构抗震分析与设计工程抗震与加固，（）：张瑾，杨德健大跨度复杂空间悬挂结构自振特征与动力性能分析河北水利电力学院学报，（）：戴云景，郑震云，李洪求，等太原远大购物中心写字楼超限高层结构设计建筑结构，（）：犛 犲 犻 狊 犿 犻 犮犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊犪 狀 犱犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 犳犗 狌 狋 狅 犳 犮 狅 犱 犲犎 犻 犵 犺 狉 犻 狊 犲犅 狌 犻 犾 犱 犻 狀 犵犇犻 狀犪犔 犻 犫 狉 犪 狉 狔 ，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（下转第 页）河北水利电力学院学报 椭圆裂纹弹塑性断裂分析石油化工高等学校学报，（）：犉 犻 狀 犻 狋 犲犈 犾 犲 犿 犲 狀 狋犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊犪 狀 犱犛 犪 犳 犲 狋 狔犈 狏 犪 犾 狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犡 犛 狋 犲 犲 犾狑 犻 狋 犺犆 狉 犪 犮 犽犇 犲 犳 犲 犮 狋 ，（，；（），；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（“”），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：郭书俊檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）（上接第 页），（），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：孙刚）河北水利电力学院学报