甲類構筑物抗震設計實例及要點

黃 帆

(巴斯夫(中國)有限公司， 上海 200233)

甲類構筑物抗震設計實例及要點

黃 帆

(巴斯夫(中國)有限公司， 上海 200233)

以某工業裝置為實例，重點闡述了甲類抗震設防構筑物的抗震設計要點，說明了抗震設防標準的確定原則，參考相關規范要求進行了結構分析與計算，研究驗證了結構計算的結果，并從結構構造方面進行了抗震設計。

甲類構筑物； 抗震設計； 結構計算； 構造

現有結構抗震設計規范標準中，對于民用建筑結構，已經有比較成熟的研究和較為詳細的規定，可供設計參照執行；對于特殊結構的工業建(構)筑物的抗震設計，現有規范標準較少涉及。本文以某實際工程為例，論述了甲類抗震設防的構筑物的抗震設計的做法及要點。

1 工程概況

某工業項目，建設地點位于某沿海地區，根據《化學工業建(構)筑物抗震設防分類標準》(GB 50914)規定，其中某裝置的抗震設防類別為甲類，設計使用年限50年。按照工藝布置，該裝置構筑物總高度32 m，平面尺寸15 m×30 m，共六層，層高為4～6 m不等。結構形式為混凝土框架剪力墻結構，采用樁筏整體基礎，外墻為框架+剪力墻筒體，內部有部分框架，屋面采用鋼與混凝土組合樓板，其他樓層采用鋼格柵鋪板。樓層框架梁及主梁為鋼筋混凝土梁，次梁采用型鋼梁。項目所在地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震第一組，場地類別Ⅳ類，結構的阻尼比為0.05。場地基本風壓0.57 kN/m2，地面粗糙度A類。

2 抗震設防標準

2.1 地震作用

《化學工業建(構)筑物抗震設計分類標準》(GB 50914)要求，甲類建(構)筑物地震作用應根據地震安全性評價結果確定，同時還要高于本地區抗震設防烈度的要求。

本項目的地震安全性評價報告所給出的工程場地設計地震動參數見表1和式(1)。

表1 《安評報告》不同超越概率水平地震影響系數

(1)

《建筑抗震設計規范》(GB 50011)中相應烈度的水平地震影響系數最大值αmax見表2。

表2 《建筑抗震設計規范》水平地震影響系數最大值

依據地震安全性評價的結果，并按高于本地區抗震設防烈度的要求，本構筑物選擇7度(0.15g)作為抗震設防烈度，其在多遇地震和罕遇地震下的水平地震影響系數αmax為0.12和0.72，分別大于地震安全性評價報告中提供的最大值0.11和0.36。

2.2 抗震措施

按照《化學工業建(構)筑物抗震設計分類標準》(GB50914)的要求，甲類建(構)筑物應按高于本地區抗震設防烈度1度的要求加強其抗震措施。本結構設計比本地區7度(0.1g)提高一度，按照8度(0.2g)設防烈度確定抗震措施。

本結構有部分框支剪力墻結構，并考慮Ⅳ類場地的抗震不利影響，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)(以下簡稱(高規))，確定框架抗震等級為一級，抗震墻抗震等級為一級。

3 結構分析及計算

3.1 結構分析要點

由于工藝布置的要求，本結構除2層的部分屋面和6層屋面采用混凝土樓板外，內部其他樓層全部是在鋼梁上面鋪設鋼格柵板，樓層的平面剛度變化較大。3層有部分抗震墻不落地，支撐在2層框架梁上，豎向抗側力構件不連續，屬于豎向不規則類型。

在結構建模計算時，將鋼格柵板區域邊緣定義為彈性節點，采用彈性樓板假定，并選用總剛分析方法進行計算。采用空間結構計算模型，對剛度小的樓層地震剪力乘以1.25的增大系數。對薄弱層進行罕遇地震下的彈塑性時程分析方法進行變形驗算。

鑒于本結構豎向不規則，又屬于甲類抗震設防，同時采用了PKPM SATWE和Madis Gen兩種不同的結構分析軟件進行抗震分析計算，并對結果進行了比較。另外，還采用時程分析法進行了多遇地震下的補充分析。

3.2 結構計算結果

3.2.1 多遇地震下的振型分解反應譜法SATWE計算

計算結果見表3～表5。

表3 振型與周期

表4 剛度比、樓層抗剪、剪重比、剛重比等性能指標

表5 考慮偶然偏心的位移計算結果

由計算結果看出，1層的最小剛度比小于0.9，另外，2層為轉換層，3層的側向剛度也小于上一層的70%(或上三層平均值的80%)，都屬于結構薄弱層，可知本結構豎向不規則。按照規范要求，1～3層地震剪力乘以放大系數1.25。同時，控制框架柱及框支柱的軸壓比，以提高延性，并適當提高配筋率，增加框架柱和框支柱抗震承載力。

轉換層剛度與上一層剛度相比稍偏大，為避免上一層形成相對薄弱層，設計中注意控制該層豎向構件軸壓比，并適當提高墻和柱的配筋率，增強該層抗震性能。

樓層的最大層間位移角小于規范限值的40%。依據規范，該層豎向構件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值不應大于1.6，計算滿足要求。為限制結構扭轉，通過與上游專業溝通，對重型設備進行合理布置，以減小質量偏心，并調整結構布置，盡量使剛心質心重合。

3.2.2 多遇地震下彈性時程補充計算

采用SATWE對結構進行了多遇地震下的彈性時程分析。分別采用3條地震波進行計：天然波TH2TG090、天然波TH4TG090和實測波SHM2-4。主方向最大峰值加速度35 cm/s2,時間步長為0.02 s，放大系數為1。地震作用取時程法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值(圖1)。

圖1 時程曲線平均地震影響系數與規范地震影響系數曲線對比

地震波最大層間位移角基底剪力基底剪力與反應譜法結果比值,規范要求TH2TG0901/1399(1層)4777.4/kN0.90TH4TG0901/1053(1層)3468.9/kN0.65SHM2-41/895(1層)6508.0/kN1.22《高規》4.3.5條,≮0.65,平均值≮0.8,滿足

由表6可知，SHM2-4波彈性時程分析的層間位移角和基底反力均大于規范反應譜法的計算結果，時程分析結果在彈性階段對結構起控制作用。

3.2.3 PKPM和Midas多遇地震作用下計算比較

鑒于本結構的特殊性，設計時另采用Midas軟件進行了建模計算。與PKPM計算結果相比，顯示差異不大，驗證了本次結構計算的有效性與可靠性，其中周期及位移對比見表7。

表7 PKPM、Midas軟件多遇地震計算結果比較

3.2.4 罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形驗算

表8 薄弱層彈塑性位移

由表8計算可知，在兩個方向的彈塑性層間位移角都遠小于規范的限值，說明結構有足夠的剛度，在大震作用下薄弱層不會發生過大的變形引起整體破壞。

4 構造設計要點

4.1 鋼梁與混凝土主梁的連接構造設計

樓層采用鋼格柵板+鋼結構次梁+混凝土主梁的承重形式。本結構樓面荷載較重，鋼梁截面較大，其與混凝土主梁的連接做法需要滿足承載力和抗震性能的要求,具體做法如圖2。

連接做法平面

1-1

2-2

鋼梁與混凝土主梁的這種連接，荷載是由混凝土主梁梁側的配筋挑耳承擔，結構設計時根據計算配置箍筋和抗沖切鋼筋配筋，保證挑耳有足夠的抗沖切能力和局部抗壓承載力。鋼梁與挑耳的鉸接搭接，以及腹板與預埋件的螺栓連接，在地震情況下有足夠的延性和耗能能力，抗震性能較好。

4.2 轉換層抗震構造設計

轉換梁箍筋加密范圍為柱邊1.5倍梁高長度內，增大轉換梁的箍筋和縱向鋼筋的配筋率，并沿梁腹板高度配置受力腰筋。轉換柱采用井字復合箍筋，全高加密，增大箍筋體積配箍率和縱向鋼筋配筋率。2層轉換層部分屋面板厚采用250 mm厚，雙層雙向配筋，配筋率0.6%以上。

4.3 基礎抗震設計

本場地類別為IV類，抗震較為不利。為減少不均勻沉降對結構的不利影響，采用了整體樁筏基礎，底板厚度1 500 mm，選用預應力混凝土管樁。

5 結束語

特定結構形式的甲類抗震設防的構筑物設計在實際工程中比較少見，尚沒有明確的具體標準可供遵照執行。本文根據實際構筑物的形式特點，參考高層混凝土結構設計規范，從抗震標準、結構計算及構造設計等方面，實例論述了抗震設計的方法及要點，可供類似結構的抗震設計參考。

[1] GB 50914-2013 化學工業建(構)筑物抗震設防分類標準[S].

[2] GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].

[3] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[4] 黃帆.鋼梁與混凝土梁連接節點設計探討[J]. 山西建筑，2015(21): 26-27.

黃帆(1979～)，男，碩士，工程師，從事土建結構設計及施工工作。

TU352.11

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[定稿日期]2015-07-10