某超限學(xué)校綜合樓抗震設(shè)計(jì)分析

胡豪

摘 要： 某學(xué)校綜合樓，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、側(cè)向剛度不規(guī)則、樓板不連續(xù)等多項(xiàng)不規(guī)則，采用兩種空間軟件進(jìn)行多遇地震計(jì)算、補(bǔ)充彈性時(shí)程分析、進(jìn)行罕遇地震下的靜力彈塑性分析，針對(duì)大開洞樓板進(jìn)行小震及中震樓板應(yīng)力分析。通過采用合理的結(jié)構(gòu)布置、全面的計(jì)算分析和加強(qiáng)措施，使本工程具有良好的抗震性能。

關(guān)鍵詞： 不規(guī)則;超限;抗震

1 項(xiàng)目簡介

上海某學(xué)校項(xiàng)目的一棟中學(xué)綜合樓，地上五層，地下一層為與其他單體相連的地下車庫及設(shè)備用房。地上主要功能為室內(nèi)體育館及配套器材室，屋頂為室外運(yùn)動(dòng)場。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用參數(shù)及荷載

2.1 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程合理使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度0.1g，設(shè)計(jì)地震分組二組，場地類別Ⅳ類，多遇地震特征周期0.9s，αmax=0.08（罕遇地震1.1s αmax=0.45）。抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。

2.2 結(jié)構(gòu)主要荷載

基本風(fēng)壓0.55kN/m2（R=50年），地面粗糙度類別B類，體型系數(shù)1.3，基本雪壓0.2 kN/m2（R=50年），樓面恒活載按建筑做法及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定取值。

3 結(jié)構(gòu)選型及布置

本工程地上五層，地下一層，結(jié)構(gòu)總高21.95m，平面尺寸53.65×43.55m，采用鋼框架結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)嵌固端位于地下室頂板，二、四、五層樓面因?yàn)槭覂?nèi)體育館和室內(nèi)籃球場的功能需求存在局部大開洞。

框架柱主要截面600×600×25×25～800×600×36×36mm，框架梁主要截面600×200×10×16～1500×450×28×36mm，次梁主要截面300×200×6×10～600×250×10×18mm，樓板厚度120～150mm。屋頂為39.25×32.85m大跨結(jié)構(gòu)，采用壓型鋼板做模板，混凝土板厚120mm。大跨度區(qū)域采用雙向正交平面桁架。鋼材材料為Q355B，地上混凝土樓板采用C30。

4 超限情況判定

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度21.95m屬多層結(jié)構(gòu)，參照住建部[2015]67號(hào)文“關(guān)于印發(fā)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的通知”及《上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實(shí)施細(xì)則》滬建管〈2014〉954號(hào)，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行不規(guī)則性判別，見表1。

本工程同時(shí)具有三項(xiàng)及三項(xiàng)以上不規(guī)則，判定為特別不規(guī)則多層建筑，應(yīng)進(jìn)行特別不規(guī)則建筑工程的抗震設(shè)防專項(xiàng)分析。

5 針對(duì)超限的計(jì)算分析及措施

5.1 計(jì)算分析

采用兩種空間分析程序（YJK和MIDAS-BUILDING）按相同假定進(jìn)行計(jì)算分析比較結(jié)構(gòu)在多遇地震下的響應(yīng)，補(bǔ)充彈性時(shí)程分析，并通過靜力彈塑性分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能。

5.2 針對(duì)措施

（1）加強(qiáng)邊框柱及角柱的剛度，使得各層剛心和質(zhì)心盡量重合，減少扭轉(zhuǎn)的不利影響;加強(qiáng)邊梁提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度，改善結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能。

（2）采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型，計(jì)入樓板局部變形的影響。開大洞樓層處按彈性板計(jì)算，采用樓板有限元分析;加厚洞口周邊樓板厚度及配筋，在洞口角部集中配置斜向鋼筋。

（3）針對(duì)側(cè)向剛度不規(guī)則形成的薄弱層，將該層的地震力放大1.25倍。

6 計(jì)算結(jié)果

在采用YJK和Midas Structure Master按相同假定分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)程序的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、前三自振周期值、最大層間位移角、基底剪力和剪重比等主要指標(biāo)基本一致，分析結(jié)果可靠。扭轉(zhuǎn)周期與第一階平動(dòng)周期的周期比<0.85;層間位移角均<1/250;在考慮偶然偏心的地震作用下，兩個(gè)方向各層位移比均小于1.4;樓層抗剪承載力比最小為0.83，不存在樓層承載力突變;以上結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

6.2 彈性時(shí)程分析

彈性時(shí)程分析選用IV類場地上的兩條實(shí)測地震波——天然波SHW7和天然波SHW6，以及一條人工地震波SHW2，特征周期均約為0.9s。

圖1顯示時(shí)程分析法的包絡(luò)結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本吻合，時(shí)程分析法基底剪力的平均值X向?yàn)?791kN，Y向?yàn)?666kN;反應(yīng)譜法的基底剪力X向?yàn)?540kN，Y向?yàn)?678kN。時(shí)程分析法平均值與反應(yīng)譜法的比值分別為0.88和0.81。滿足規(guī)范對(duì)于每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%的要求。

時(shí)程分析法多條波包絡(luò)值與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示，全樓地震作用需考慮放大系數(shù)1.046，在小震計(jì)算時(shí)將各樓層地震作用按此進(jìn)行放大。

6.3 樓板應(yīng)力分析

對(duì)樓板開洞較大的二層、四層和五層采用彈性板模型進(jìn)行多遇地震和設(shè)防烈度地震下的樓板應(yīng)力計(jì)算，進(jìn)行“小震彈性、中震不屈服”設(shè)計(jì)：

即樓板在小震工況下樓板主拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，中震工況下樓板中的鋼筋不屈服：σ1，中震 fykAs hs

其中，σ1，中震為中震標(biāo)準(zhǔn)組合（SD+0.5SL+SE，中震）下樓板的主拉應(yīng)力，fyk為鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，h為樓板厚度，s為鋼筋間距，As為s范圍內(nèi)上下層水平鋼筋的面積之和。計(jì)算結(jié)果顯示：在小震工況下，樓板最大主拉應(yīng)力1.4MPa小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa，中震工況下最大拉應(yīng)力2.0MPa，由此計(jì)算樓板配筋時(shí)每米配筋面積附加的As/s值為750mm2/m，附加雙層鋼筋12@200。通過以上措施就能夠滿足樓板小震彈性中震不屈服的性能目標(biāo)。

6.4 靜力彈塑性分析

為實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，采用規(guī)范推薦的靜力推覆法進(jìn)行彈塑性靜力分析，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)，并得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震下各層的位移，計(jì)算出層間位移角，判定結(jié)構(gòu)是否滿足大震變形要求。

選用PUSHOVER分析，荷載加載方式采用倒三角加載，計(jì)算結(jié)果表明，在罕遇地震作用下性能點(diǎn)最大層間位移角，X向?yàn)?/106，Y向?yàn)?/119，均小于1/50，滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)論

（1）通過不同程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)的周期、振型、位移等均滿足規(guī)范要求。兩種不同程序的計(jì)算結(jié)果基本一致表明分析可靠。

（2）進(jìn)行了彈性時(shí)程響應(yīng)分析，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征、變化規(guī)律與前述振型分解反應(yīng)譜法分析基本一致。

（3）對(duì)存在樓板局部不連續(xù)的樓層進(jìn)行了地震工況下的彈性樓板應(yīng)力分析，控制樓板中的主應(yīng)力，并對(duì)應(yīng)力較大的部位通過增加板厚和配筋等方式加強(qiáng)。

（4）進(jìn)行靜力彈塑性分析，結(jié)果表明在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移滿足規(guī)范要求，保證了“大震不倒”的要求。

（5）綜上所述，在設(shè)計(jì)中采取較為合理的結(jié)構(gòu)布置，控制不規(guī)則的不利影響，通過全面的計(jì)算分析和相應(yīng)的加強(qiáng)措施，本工程具有良好的抗震性能。

參考文獻(xiàn)

[1]超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)：建質(zhì)[2015]67號(hào)[S].北京：中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2015.

[2]上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實(shí)施細(xì)則：滬建管[2014]954號(hào)[S].上海：上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和管理委員會(huì)，2014.