某V字型平面高层建筑的抗震性能设计分析

2016-08-12唐伟军湖南省建筑工程集团设计研究院湖南长沙410000

低碳世界 2016年14期

关键词：屈服抗震弹性

唐伟军（湖南省建筑工程集团设计研究院，湖南　长沙　410000）

某V字型平面高层建筑的抗震性能设计分析

唐伟军（湖南省建筑工程集团设计研究院，湖南长沙410000）

结合工程实例，对某V字型平面高层建筑的抗震性能进行了计算分析论证，采用两种计算软件进行对比计算，并分析了小震、中震、大震情况下的抗震性能，最后根据计算结果，对薄弱部位采取相应的技术措施进行加强处理，满足抗震性能设计要求。

V字型；高层；抗震性能；对比；设计

1　工程概况

某V字型平面高层建筑位于海南省文昌市，总建筑面积26680m2，平面呈V字型，V字型两翼长约70m，翼宽11m，地上25层，檐口高度75.6m，无地下室，基础按高规要求设置埋置深度。计算采用嵌固端为基础顶面。抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.15g，场地类别为Ⅱ类；建筑结构安全等级为二级；结构设计使用年限为50年。采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，结构高度为75.60m，为A级高度钢筋混凝土高层建筑。建筑平面及立面示意图见图1。

图1　建筑平面及立面示意图

2　结构超限类型及超限程度

本工程不规则程度核查：

（1）本工程为A级高度高层建筑，高度不超限。

（2）本工程同时具有三项及三项以上不规则核查表。

一般不规则检查如表1。

表1　

经核查，本工程具有两项不规则：位移比超过1.2但小于1.4及凹凸大于0.3。但凹凸不规则方面，l/Bmax及l/b均超出规范量化值较多。

（3）本工程具有某一项不规则核查表。

严重不规则检查如表2。

表2　

经核查，本工程不具有某一项不规则的情况。

经以上核查，虽然本工程不具有上述不规则的情况，但凹凸不规则方面，l/Bmax及l/b均超出规范量化值较多，为保证建筑抗震安全性，因此对本工程采用抗震性能化设计。

3　工程结构抗震性能设计

3.1结构抗震性能设计的原则及思路

（1）根据多遇地震（小震）及风荷载等荷载作用下的弹性计算结果，按现行规范进行结构设计。并采用MIDAS/Building的弹性楼板的计算配筋复核刚性楼板配筋，并包络设计构件。

（2）利用屈服判别法进行设防烈度地震（中震）作用下结构构件的屈服验算，对结构的损伤程度进行分析。并对关键构件根据中震不屈服计算结果予以加强。

（3）验算罕遇地震（大震）作用下的弹塑性层间位移角等指标是否满足规范要求，并对结构的损伤程度进行分析，确定结构薄弱部位（薄弱层及薄弱构件），提出结构抗震加强措施。

3.2结构计算分析及抗震性能目标分析

（1）主要结构计算软件

弹性阶段计算采用中国建筑科学研究院编制的建筑结构空间有限元计算分析软件SATWE（2011.03），作为结构设计、计算的主要依据。采用北京迈达斯技术有限公司的MIDAS/ Building（2012）进行对比校核分析。并采用MIDAS/Building的弹性楼板的计算配筋复核刚性楼板配筋，并包络设计构件。

弹塑性阶段计算采用中国建筑科学研究院编制的建筑结构空间有限元计算分析软件SATWE进行中（大）震不屈服的弹塑性分析。

（2）多遇地震（小震）作用下的弹性计算分析及抗震性能目标分析

①结构弹性计算的主要原则

a.根据高规5.1.12条规定，结构计算采用两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力位移计算，并进行对比分析。

b.根据高规5.1.13条规定，抗震设计时，考虑平扭耦联计算结构的扭转效应（CQC法），振型数不小于 15，且各振型参与质量之和不小于总质量的90%。

c.考虑双向水平地震作用下的扭转效应。

d.计算单向地震作用下的扭转位移比（考虑偶然偏心的影响）。

e.各种计算均考虑施工过程的模拟。

f.本工程主楼风荷载作用取基本风压W0=0.85kN/m2，地面粗糙度为A类。

g.风荷载计算时的体型系数，按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）V形取为1.40，由于本工程两翼平面狭长，适当考虑风力相互干扰，参照高规附录B，实际取1.5。

h.采用10年一遇的风荷载取值（w0=0.45kN/m2），阻尼比2%，计算顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax。

i.根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.1.13条规定，本建筑不需要采用弹性时程分析法进行补充计算。

j.根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.1.5条规定，本工程进行内力与位移计算时，可假定楼板在其自身平面内为无限刚，但需对采用面内无限刚假定的计算结果进行适当调整。因此本工程采用SATWE与Building无限刚假定进行对比计算，采用Building的弹性楼板假定及SATWE无限刚假定的结构对构件进行包络设计。

②弹性计算结果及分析

采用SATWE和MIDAS/Building计算程序计算的结果如表3所示，根据对比的弹性计算结果可知：结构沿主轴方向振动形式相近，结构振型、周期、位移形态和量值在合理范围；结构地震作用沿高度的分布合理；有效质量参与系数、楼层剪重比、位移角等指标均满足规范要求；结构构件均处于弹性阶段；各构件的配筋均在合理范围。

③多遇地震作用下抗震性能目标分析结论

a.弹性计算分析结果表明，本工程的控制工况为地震作用组合。

b.本工程采用SATWE（全楼刚）、SATWE（分块刚）、MIDAS/Building（全楼刚）弹性计算的结果相符，同时从Building刚、弹性楼板假定的计算结果对比分析表明：本工程狭长楼板在面内变形不太明显，说明采用刚性楼板计算分析是可行的。尽管刚性假定下V形平面的动力特性与弹性假定有一定的差异，但两种假定下各项计算指标均能满足规范的要求。因此采用刚、弹性假定两种结果进行包络设计是满足高规5.1.5条规定的。

c.计算结果显示：本工程多遇地震（小震）作用下，各项计算控制参数指标的计算结果均满足规范要求。

计算结果表明，在多遇地震（小震）作用下，所有竖向构件及框架梁全部保持弹性，连梁绝大部分保持弹性，极少数进入塑性状态。全部构件的抗震承载力、各项水平位移限值和舒适度满足规范有关要求。结构一般不受损坏或不需修理可继续使用。结构在多遇地震（小震）作用下能达到预期的性能目标。

（3）设防烈度地震（中震）作用下的计算分析及抗震性能目标分析

①计算分析方法

本工程抗震等级为二级（按当地抗震区划为三级），针对工程特点以及性能目标，进行了设防烈度地震（中震）不屈服设计，具体的参数要求如表4所示。

按规范参数进行的设防烈度地震（中震）不屈服设计是对所有竖向构件的抗震承载力进行验算。分析结果表明：本工程中所有竖向构件均满足中震不屈服的要求，且结构的最大层间位移角为X向为1/454，Y向为1/750，满足规范规定的弹塑性位移角限值（1/120）。

表3　SATWE//Madis/Building弹性计算结果简表

表4　中震弹性设计和中震不屈服设计要求

②设防烈度地震作用下抗震性能目标分析结论

结果表明：在设防烈度地震（中震）作用下，根据SATWE超配筋信息文件显示：关键构件及其他竖向构件均满足《高规》公式3.11.3-4的情况，因此其受剪截面均满足性能目标要求；根据性能目标要求，关键构件及部分竖向构件的截面抗震承载力应满足《高规》公式3.11.3-2的规定，因此关键构件及部分竖向构件的配筋应按此设计，其他部位部分竖向构件允许屈服。以上分析表明：关键构件及部分竖向构件不屈服，关键构件轻度损坏，普通竖向构件部分中度损坏，少数梁损坏严重，但经修复或加固后可继续使用。结构在设防烈度地震（中震）作用下能达到预期的性能目标。

（4）罕遇地震（大震）作用下的弹塑性计算分析及抗震性能目标分析

①罕遇地震作用下的屈服设计及剪力墙和框架柱截面抗剪承载力验算

本工程中对于关键构件的抗震承载力验算需要进行罕遇地震（大震）作用下的不屈服设计。具体参数如表5所示。

表5　大震不屈服设计要求

罕遇地震（大震）作用下剪力墙截面抗剪承载力的验算采用SATWE等效弹性方法计算，该方法分析结果偏于安全。

按规范参数进行的罕遇地震（大震）不屈服设计是对所有竖向构件的抗震承载力进行验算。分析结果表明：本工程竖向构件均符合公式（4.2-3）的要求，故竖向构件受剪截面满足要求，同时根据配筋计算结果显示，连梁等耗能构件各层均有部分超筋严重，显示其破坏较严重。关键构件大多能满足公式（4.2-2）的要求，但配筋量较大，设计时在保证同一楼层竖向构件部分不屈服的原则下，根据罕遇地震（大震）分析结果进行竖向构件截面设计。在预估的大震作用下结构的最大层间位移角为X向为1/184，Y向为1/323，满足规范规定的弹塑性位移角限值（1/120）。

②罕遇地震（大震）作用下抗震性能目标分析结论

根据计算分析及拟定的后续设计原则表明：在罕遇地震（大震）作用下，关键构件的截面抗震承载力均符合《高规》公式3.11.3-4的规定，其受剪截面符合《高规》公式3.11.3-2的规定。底部加强部位竖向构件中度损坏，其他部位竖向构件、框架梁、连梁损坏比较严重，需排险大修。结构在罕遇地震（大震）作用下能达到预期的性能目标。