甲类构筑物抗震设计实例及要点

黄 帆

(巴斯夫(中国)有限公司， 上海 200233)

甲类构筑物抗震设计实例及要点

黄 帆

(巴斯夫(中国)有限公司， 上海 200233)

以某工业装置为实例，重点阐述了甲类抗震设防构筑物的抗震设计要点，说明了抗震设防标准的确定原则，参考相关规范要求进行了结构分析与计算，研究验证了结构计算的结果，并从结构构造方面进行了抗震设计。

甲类构筑物； 抗震设计； 结构计算； 构造

现有结构抗震设计规范标准中，对于民用建筑结构，已经有比较成熟的研究和较为详细的规定，可供设计参照执行；对于特殊结构的工业建(构)筑物的抗震设计，现有规范标准较少涉及。本文以某实际工程为例，论述了甲类抗震设防的构筑物的抗震设计的做法及要点。

1 工程概况

某工业项目，建设地点位于某沿海地区，根据《化学工业建(构)筑物抗震设防分类标准》(GB 50914)规定，其中某装置的抗震设防类别为甲类，设计使用年限50年。按照工艺布置，该装置构筑物总高度32 m，平面尺寸15 m×30 m，共六层，层高为4～6 m不等。结构形式为混凝土框架剪力墙结构，采用桩筏整体基础，外墙为框架+剪力墙筒体，内部有部分框架，屋面采用钢与混凝土组合楼板，其他楼层采用钢格栅铺板。楼层框架梁及主梁为钢筋混凝土梁，次梁采用型钢梁。项目所在地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震第一组，场地类别Ⅳ类，结构的阻尼比为0.05。场地基本风压0.57 kN/m2，地面粗糙度A类。

2 抗震设防标准

2.1 地震作用

《化学工业建(构)筑物抗震设计分类标准》(GB 50914)要求，甲类建(构)筑物地震作用应根据地震安全性评价结果确定，同时还要高于本地区抗震设防烈度的要求。

本项目的地震安全性评价报告所给出的工程场地设计地震动参数见表1和式(1)。

表1 《安评报告》不同超越概率水平地震影响系数

(1)

《建筑抗震设计规范》(GB 50011)中相应烈度的水平地震影响系数最大值αmax见表2。

表2 《建筑抗震设计规范》水平地震影响系数最大值

依据地震安全性评价的结果，并按高于本地区抗震设防烈度的要求，本构筑物选择7度(0.15g)作为抗震设防烈度，其在多遇地震和罕遇地震下的水平地震影响系数αmax为0.12和0.72，分别大于地震安全性评价报告中提供的最大值0.11和0.36。

2.2 抗震措施

按照《化学工业建(构)筑物抗震设计分类标准》(GB50914)的要求，甲类建(构)筑物应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施。本结构设计比本地区7度(0.1g)提高一度，按照8度(0.2g)设防烈度确定抗震措施。

本结构有部分框支剪力墙结构，并考虑Ⅳ类场地的抗震不利影响，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)(以下简称(高规))，确定框架抗震等级为一级，抗震墙抗震等级为一级。

3 结构分析及计算

3.1 结构分析要点

由于工艺布置的要求，本结构除2层的部分屋面和6层屋面采用混凝土楼板外，内部其他楼层全部是在钢梁上面铺设钢格栅板，楼层的平面刚度变化较大。3层有部分抗震墙不落地，支撑在2层框架梁上，竖向抗侧力构件不连续，属于竖向不规则类型。

在结构建模计算时，将钢格栅板区域边缘定义为弹性节点，采用弹性楼板假定，并选用总刚分析方法进行计算。采用空间结构计算模型，对刚度小的楼层地震剪力乘以1.25的增大系数。对薄弱层进行罕遇地震下的弹塑性时程分析方法进行变形验算。

鉴于本结构竖向不规则，又属于甲类抗震设防，同时采用了PKPM SATWE和Madis Gen两种不同的结构分析软件进行抗震分析计算，并对结果进行了比较。另外，还采用时程分析法进行了多遇地震下的补充分析。

3.2 结构计算结果

3.2.1 多遇地震下的振型分解反应谱法SATWE计算

计算结果见表3～表5。

表3 振型与周期

表4 刚度比、楼层抗剪、剪重比、刚重比等性能指标

表5 考虑偶然偏心的位移计算结果

由计算结果看出，1层的最小刚度比小于0.9，另外，2层为转换层，3层的侧向刚度也小于上一层的70%(或上三层平均值的80%)，都属于结构薄弱层，可知本结构竖向不规则。按照规范要求，1～3层地震剪力乘以放大系数1.25。同时，控制框架柱及框支柱的轴压比，以提高延性，并适当提高配筋率，增加框架柱和框支柱抗震承载力。

转换层刚度与上一层刚度相比稍偏大，为避免上一层形成相对薄弱层，设计中注意控制该层竖向构件轴压比，并适当提高墙和柱的配筋率，增强该层抗震性能。

楼层的最大层间位移角小于规范限值的40%。依据规范，该层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值不应大于1.6，计算满足要求。为限制结构扭转，通过与上游专业沟通，对重型设备进行合理布置，以减小质量偏心，并调整结构布置，尽量使刚心质心重合。

3.2.2 多遇地震下弹性时程补充计算

采用SATWE对结构进行了多遇地震下的弹性时程分析。分别采用3条地震波进行计：天然波TH2TG090、天然波TH4TG090和实测波SHM2-4。主方向最大峰值加速度35 cm/s2,时间步长为0.02 s，放大系数为1。地震作用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(图1)。

图1 时程曲线平均地震影响系数与规范地震影响系数曲线对比

地震波最大层间位移角基底剪力基底剪力与反应谱法结果比值,规范要求TH2TG0901/1399(1层)4777.4/kN0.90TH4TG0901/1053(1层)3468.9/kN0.65SHM2-41/895(1层)6508.0/kN1.22《高规》4.3.5条,≮0.65,平均值≮0.8,满足

由表6可知，SHM2-4波弹性时程分析的层间位移角和基底反力均大于规范反应谱法的计算结果，时程分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。

3.2.3 PKPM和Midas多遇地震作用下计算比较

鉴于本结构的特殊性，设计时另采用Midas软件进行了建模计算。与PKPM计算结果相比，显示差异不大，验证了本次结构计算的有效性与可靠性，其中周期及位移对比见表7。

表7 PKPM、Midas软件多遇地震计算结果比较

3.2.4 罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算

表8 薄弱层弹塑性位移

由表8计算可知，在两个方向的弹塑性层间位移角都远小于规范的限值，说明结构有足够的刚度，在大震作用下薄弱层不会发生过大的变形引起整体破坏。

4 构造设计要点

4.1 钢梁与混凝土主梁的连接构造设计

楼层采用钢格栅板+钢结构次梁+混凝土主梁的承重形式。本结构楼面荷载较重，钢梁截面较大，其与混凝土主梁的连接做法需要满足承载力和抗震性能的要求,具体做法如图2。

连接做法平面

1-1

2-2

钢梁与混凝土主梁的这种连接，荷载是由混凝土主梁梁侧的配筋挑耳承担，结构设计时根据计算配置箍筋和抗冲切钢筋配筋，保证挑耳有足够的抗冲切能力和局部抗压承载力。钢梁与挑耳的铰接搭接，以及腹板与预埋件的螺栓连接，在地震情况下有足够的延性和耗能能力，抗震性能较好。

4.2 转换层抗震构造设计

转换梁箍筋加密范围为柱边1.5倍梁高长度内，增大转换梁的箍筋和纵向钢筋的配筋率，并沿梁腹板高度配置受力腰筋。转换柱采用井字复合箍筋，全高加密，增大箍筋体积配箍率和纵向钢筋配筋率。2层转换层部分屋面板厚采用250 mm厚，双层双向配筋，配筋率0.6%以上。

4.3 基础抗震设计

本场地类别为IV类，抗震较为不利。为减少不均匀沉降对结构的不利影响，采用了整体桩筏基础，底板厚度1 500 mm，选用预应力混凝土管桩。

5 结束语

特定结构形式的甲类抗震设防的构筑物设计在实际工程中比较少见，尚没有明确的具体标准可供遵照执行。本文根据实际构筑物的形式特点，参考高层混凝土结构设计规范，从抗震标准、结构计算及构造设计等方面，实例论述了抗震设计的方法及要点，可供类似结构的抗震设计参考。

[1] GB 50914-2013 化学工业建(构)筑物抗震设防分类标准[S].

[2] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[3] JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[4] 黄帆.钢梁与混凝土梁连接节点设计探讨[J]. 山西建筑，2015(21): 26-27.

黄帆(1979～)，男，硕士，工程师，从事土建结构设计及施工工作。

TU352.11

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[定稿日期]2015-07-10