某超限教学楼结构抗震设计.pdf

低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.010某超限教学楼结构抗震设计TRANSFINITE STRUCTURAL SEISMIC DESIGN OF A TEACHING BUILDING王春龙，刘宁波，王正刚，李治霞（中国人民解放军陆军勤务学院，重庆 401331）WANG Chunlong,LIU Ningbo,WANG Zhenggang,LI Zhixia（Army Logistics Academy,Chongqing 401331,China）【摘要】以某超限教学楼结构为例，针对存在扭转不规则、楼板不连续、凹凸不规则、局部穿层柱等多项不规则的超限高层结构进行抗震设计。综合考虑结构不规则程度，确定结构的抗震性能目标为D级，关键构件抗震性能目标为C级，进行了小震、中震及大震作用下的计算分析，并采取相应的抗震加强措施。结果表明结构各项性能指标均符合相关规范的要求，抗震性能良好，可为类似超限结构提供设计参考。【关键词】框架结构；超限结构；抗震性能；抗震加强措施【中图分类号】TU352.1【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0044-04Abstract：Taking an over-limit teaching building structure as the case,seismic design is carried out for high-risestructures with multiple irregularities such as torsional irregularity,discontinuous flooring，plane irregularity,andpartial through-layer columns.Considering the degree of structural irregularity comprehensively,the anti-seismicperformance target of the structure is determined to be D,and the anti-seismic performance target of key components is determined to be C.The calculation and analysis under the action of small earthquakes,medium earthquakes,and large earthquakes are carried out，and the corresponding seismic strengthening measures are taken.Theresults show that all performance indexes of the structure meet the requirements of correlative specifications，and theseismic performance is good,which may provide the reference for similar structures.Key words：frame structure;transfinite structural;seismic performance;seismic strengthening measures0引言随着我国经济的发展和科技的进步，计算分析手段的完善，结构材料性能的提高，施工技术水平的提升1，及设计时地形的限制及功能需求等因素，造型复杂的不规则建筑结构纷呈出现，而如何根据工程的实际情况，选择合理的结构体系及相应计算方法，分析结构薄弱部位，有效强化抗震构造措施2，使结构不规则程度得到有效控制，是结构设计必须解决的重要问题。文中以某超限教学楼结构为例，对超限结构抗震设计做出了具体分析，验证结构方案的合理性及良好的抗震性能。1工程概况工 程 地 上 6 层，地 下 3 层，总 建 筑 面 积 约32400m2。地上为教学用房，翼缘方向两侧外伸长度分别为39.2m和23.4m，结构高度为25.1m，层高3.64.2m，主要柱网尺寸7.7m9.9m；地下部分高12.4m，主要由体育用房（篮球场）、车库、食堂、多功能厅及其他配套设施组成，篮球场顶部大跨度框架柱网尺寸为2025m8.5m，穿层柱高为8.4m，多功能厅顶部大跨度框架柱网尺寸为20m5m；基础顶面以上结构总高度37.5m，采用钢筋混凝土框架结构，独立基础。结合工程场地实际情况，嵌固端位于-3层顶板，整个结构布置不宜设置变形缝，为一整体结构单元，项目三维示意图见图1。工程结构安全等级为二级，重点设防类，抗震设防烈度为7度（0.1g），框架抗震等级为二级，设计地震分组为第二组，场地类别类，特征周期Tg=0.35g，基本风压为0.4kN/m2，地面粗糙度为B类，风载体型系数取1.4。2超限结构设计2.1结构超限判定依据 建筑抗震设计规范3、高层建筑混凝土结图1结构三维模型44构技术规程4等有关规定进行超限判断：扭转不规则，考虑偶然偏心的最大扭转位移比为1.48，大于1.2；平面凹凸不规则，地上结构平面凸出的一侧尺寸与相应投影方向总尺寸的比值为0.778，大于0.3；结构平面突出部分长度与其连接宽度的比值为3.3，大于2.0；楼板不连续，楼板有效宽度与这层楼板典型宽度的比值为0.464，小于0.5；尺寸突变，顶部楼层收进后的水平尺寸与下部楼层水平尺寸之比为 0.22，小于0.75；其他不规则，存在局部的穿层柱。综合上述各个超限指标，结构属平面一般不规则，竖向一般不规则的超限高层结构。2.2抗震设计性能目标结构抗震性能目标是抗震设防水准与结构性能水准的综合反应，根据 高层建筑混凝土结构技术规程 进行抗震性能评估，且根据构件不同重要程度，提出相应的性能目标，工程抗震性能目标定为D级，关键构件按C级执行见表1。关键构件包括0.000层大跨度框架梁及穿层柱，0.000以上结构角柱、转角部分及连接薄弱部位的框架柱。表1抗震设计性能目标关键构件层间位移角限值截面穿层柱大跨度框架梁薄弱部位框架柱框架柱框架梁抗震烈度众值烈度（小震）1/550正截面弹性弹性弹性弹性弹性斜截面弹性弹性弹性弹性弹性设防烈度（中震）1/183正截面不屈服不屈服不屈服允许进入塑性，部分构件钢筋屈服大部分屈服，允许进入塑性斜截面弹性弹性弹性受剪截面条件：VGE+VEk*0.15fckbh0罕遇烈度（大震）1/55正截面不屈服不屈服不屈服较多构件钢筋屈服，但同一层不全部屈服出现弹塑性变形，破坏较严重，但防止倒塌斜截面不屈服不屈服不屈服受剪截面条件：VGE+VEk*0.15fckbh02.3超限结构抗震设计措施针对工程的特殊性，采取如下针对性结构设计措施：（1）采用抗震性能化设计，性能目标定义为D级，关键构件定义为C级，通过计算分析，找出结构的薄弱部位予以加强。（2）对楼板不连续，补充大震作用下的楼板应力分析，明确楼板薄弱部位和应力集中区域，对楼层应力较大的凹角部位的结构板增设放射筋或斜筋，加厚楼板薄弱部位及相临楼板的板厚，并进行楼板应力分析计算结果包络设计，双层双向配筋，且配筋率不小于0.25%；同时进行大震作用下薄弱部位楼板截面受剪承载力验算，保证楼板能够有效传递水平力。（3）针对扭转不规则，除满足计算要求外，适当增大结构外围框架柱和框架梁的截面尺寸，以提高结构整体抗扭能力。（4）对于大跨度梁，应控制其挠度和裂缝，梁的纵筋、腰筋配筋面积在计算值基础上提高10%，同时增大相邻一跨梁的截面，将支座负筋全部贯通，以提高抗震性能和延性。（5）对于穿层柱，复核其计算长度，其抗震等级提高一级，且按照中震弹性和大震不屈服设计。同时加强穿层柱相邻一跨框架柱纵筋配筋率及体箍率，保证足够的承载力及抗震延性。（6）地上部分角柱及连接薄弱部位的框架柱、车库顶板和塔楼首层错层处，框架柱截面高度控制不小于600mm，箍筋全长加密，纵筋配筋率和体箍率提高10%，以提高其变形能。（7）对于篮球场顶部车库顶板大跨度处补充楼板舒适度验算。3结构超限分析3.1多遇地震静力弹性分析工程选用 PKPM-SATWE 软件进行结构整体分析，并用MIDAS Building软件进行复核。计算时分别考虑单向地震作用下5%偶然的偏心影响和双向水平地震作用下扭转的影响，采用振型分解反应谱法，计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90，主要计算结果见表2。表2小震下计算结果计算项目周期与振型层间位移角地震下基底剪力剪重比/%T1/sT2/sTt/s周期比Tt/T1X向地震Y向地震X向风荷载Y向风荷载XYXY计算软件PKPM-SATWE1.17541.05970.95920.8160.91/1092（2层）1/776（2层）1/4947（2层）1/2714（2层）25605.619033.24.063.65MIDAS Building0.97990.86990.80880.8250.901/1384（2层）1/932（2层）1/6637（2层）1/3465（2层）22389.6919047.33.013.1045低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300计算表明两者数值上均满足规范要求，且计算结果接近，分布规律相同，验证了结构模型的正确性，计算结果可以作为设计依据。3.2多遇地震弹性时程分析采用PKPM软件进行小震弹性时程分析，按 高层建筑混凝土结构技术规程 的规定，选择两条天然波和1条人工波进行计算。加速度时程曲线，“其平均地震影响系数曲线应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”，弹性时程分析底部剪力对比见表3。表3小震弹性时程底部剪力与CQC法底部剪力的比较kN方向XYCQC2560519033天然波TH002TG035剪力值2262324227百分比/%88.36127.30天然波TG4TG035剪力值2476319194百分比/%96.70100.08人工波RH2TG035剪力值2640716466百分比/%103.1086.51平均值平均值2459819962百分比/%96.06104.80通过表3可知：（1）每条时程曲线计算得出的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算的底部剪力的65%，且小于135%。多条曲线计算得出的结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%，且小于120%，满足规范要求。（2）根据规范要求，当取3组时程曲线进行计算时，结构地震作用效应（内力和位移）取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。在施工图设计时，采用对CQC的楼层剪力进行放大系数的调整，X向地震剪力放大1.03倍，Y向地震剪力放大1.27倍。综上，时程法与振型分解反应谱计算结果基本吻合，均满足规范要求，且二者计算所得层间位移角均未超过规范位移角限值1/550。3.3中震大震计算选用YJK软件进行中震弹性、中震不屈服和大震不屈服计算，验证结构在中震和大震作用下的反应是否满足相应的性能要求5。由中震弹性、中震不屈服和大震不屈服计算结果可知，所有构件配筋均在合理范围内，未出现超筋现象，说明当前的计算配筋能够满足设定的性能目标。且关键构件抗剪承载力均能满足中震弹性的设计要求，正截面承载力均能满足中震不屈服的设计要求；关键构件正截面承载力和斜截面抗剪承载力均能满足大震不屈服的设计要求。3.4罕遇地震结构弹塑性动力时程分析选用YJK软件对结构在罕遇地震下的抗震性能进行分析，以验算结构在大震下的弹塑性性能，研究结构可能存在的薄弱部位及主要抗侧力构件的塑性损伤分布情况，判断结构在罕遇地震作用过程中是否实现预定的性能目标水准，并根据分析结果对结构薄弱部位和损伤严重的构件采取适当的加强措施，以期达到罕遇地震下结构的预期目标6。计算时考虑了几何非线性和材料非线性的影响，选取2组天然波和1组人工波，地震波均满足规范中有关频谱要求。计算表明，框架梁所占耗能比例最高，其次是框架柱，说明结构的屈服机制合理，满足抗震设计原则要求。随着地震激励时间的增加，塑性逐渐发展，绝大多数框架梁出现轻微损坏和轻度损坏，小部分框架梁端出现中度-较严重损坏；小部分框架柱出现轻微-中度损坏，地上1层柱底损伤相对中间层较为明显，主要竖向构件未发生严重破坏。结构弹塑性层间位移角为1/209（X向）、1/245（Y向），均满足规范1/50的限值的要求，且具有足够的安全储备，说明结构在罕遇地震作用下能保持主体结构稳定，不至于倒塌，验算结果见表4。4楼板分析4.1大震作用下的楼板应力分析为确保楼板能够有效传递水平力，通过PMSAP软件对楼板进行大震作用下的应力分析，以结构典型平面（-25层），受力较大（Y向地震）工况下楼板面内受力性能为例进行说明，如图2、图3所示。计算表明绝大部分区域的楼板最大主应力均在混凝土的开裂强表4大震弹塑性抗震性能验算结果构件类型关键构件普通竖向构件耗能构件构件位置设为关键构件的框架柱和大跨框架梁除关键构件以外的框架柱框架梁大震后预期的性能状况轻度损坏部分中度损坏中度损坏、部分严重损坏验算结果描述大部分完好，小部分为轻微-轻度损坏，总体上可满足大震轻度损坏要求大部分完好，小部分为轻微-轻度损坏小部分框架梁端出现中度-较严重损坏验算结果判定满足满足满足1.0E+0006392.65872.75352.84832.94312.93793.03273.12753.22233.31713.31193.4673.5153.6-366.4-886.3图2-2层Y向地震楼板面内主应力S1等值线（单位：kN/m2）46度标准值之内，故认为楼板在大震下不会退出工作，可以保持楼板不连续楼层的整体性，能满足大震不屈服的性能目标要求。4.2楼板温度应力分析工程为超长结构，3层大底盘纵向长度为99.3m，横向长度为116.6m；上部塔楼纵向长度为61.4m，横向长度为81.3m。针对超长结构进行了混凝土温度应力分析，计算表明除-1 层顶板外，结构的温度应力均在-1.62.01MPa之间，在混凝土的开裂强度以内，如图4所示。设计时，通过采取合理的结构加强措施，及减少混凝土收缩和温度变形的施工措施，-1层顶板混凝土的温度裂缝可以得到有效的控制7。4.3大跨度楼盖舒适性验算根据 高层建筑混凝土结构技术规程 楼盖结构应具有适宜的舒适度，因此采用PKPM-SLABfit软件作舒适度分析，计算参数：板的抗震等级为2级，设防烈度为7度，加速度为0.10g；网格尺寸为1.00m，模态分析振型数为 10，模态参与系数 0.1%，振动频率3.65Hz；恒载组合系数为1.0，活载组合系数为0.5；荷载组合为固定线性荷载和移动线性荷载。楼板第1阵型模态图，如图5所示。数据显示，第一阶已满足规范要求，大跨度公共建筑竖向振动频率不低于3Hz，为保证楼板自身刚度，部分楼板配筋应予以加强。5结语（1）采用SATWE和Midas Building两种软件分析，计算结果接近，分布规律相同，验证了结构模型的正确性。（2）时程法与振型分解反应谱计算结果基本吻合，均满足规范要求，且二者计算所得层间位移角均未超过规范位移角限值1/550。（3）由中震弹性、中震不屈服和大震不屈服计算结果可知，所有构件配筋均在合理范围内，未出现超筋现象，能够满足设定的性能目标。（4）罕遇地震作用下结构弹塑性层间位移角均满足规范1/50的限值的要求，结构在罕遇地震作用下能保持主体结构稳定，不至于倒塌。工程结构主要为平面凸出引起的超限，根据以上分析，结构方案选择合理，各项指标经计算分析均满足规范要求，并对关键构件、薄弱部位采取了有效加强，具有较好的抗震能力，能满足超限结构抗震性能的要求，满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。可为类似超限结构提供设计参考。参考文献1 刘军进，肖从真，王翠坤，等.复杂高层与超高层建筑结构设计要点 J.建筑结构，2011，41（11）：34-40.2 杨星.不规则建筑结构的分析与设计 J.工程建设与设计，2006（11）：1-5.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB500112010 S.北京：中国建筑工业出版社，2016.4 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 32010 S.北京：中国建筑工业出版社，2011.5 张起舞，王旭松，刘建涛，等.会议办公楼超限结构设计 J.建筑结构，2021，51：120-124.6 张硕.深圳某综合楼超限结构设计 J.建筑技术开发，2020，47（7）：43-45.7 朱丹，许庆，李劲龙，等.天津某大型医院门急诊医技综合楼及1号住院楼结构设计 J.建筑结构，2020，50：180-187.收稿日期2023-2-22作者简介王春龙（1982），女，吉林人，硕士，讲师，注册结构师，研究方向：建筑结构抗震。图35层Y向地震楼板面内主应力S1等值线（单位：kN/m2）1.0E+0005713.95151.14588.44025.73463.02900.32337.61774.81212.1649.486.7-476.0-1038.7-1601.5-2164.2图4-1层顶板降温工况下楼板面内主应力Sx（单位：kN/m2）1.0E+0004049.73682.33314.92947.52580.12212.71845.31477.91110.5743.0375.68.2-359.2-726.6-1094.0图5-1层顶板舒适度计算结构1.4E-031.3E-031.1E-031.0E-038.6E-047.1E-045.7E-044.3E-042.9E-040.0-1.4E-04-2.9E-04-4.3E-04-5.7E-04-7.1E-04-8.6E-04-1.0E-03-1.1E-03-1.3E-03-1.4E-0347