某校舍建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計與分析

郭 強

(1.同濟大學土木工程學院，上海 200092； 2.上海眾誼建筑設(shè)計有限公司，上海 200030)

1 工程概況

本項目位于上海市浦東新區(qū)。建筑類型為多層框架結(jié)構(gòu)，無地下室，地上部分為一棟5層建筑，其中多功能教室為局部1層。本樓功能主要為教學樓，各層層高均為4.0 m，其中多功能教室層高均為7.0 m，建筑面積約4 116.97 m2,上部結(jié)構(gòu)嵌固在基礎(chǔ)頂如圖1，圖2所示。

本項目結(jié)構(gòu)體系為多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)為7.5 m×9.6 m，平面布置為一字形，安全等級為一級，建筑物長度54 m，設(shè)置后澆帶，降低混凝土溫度收縮應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不利影響，樓梯間抗震等級提高一級，樓梯采用滑動支座，走廊與樓棟之間設(shè)置雙柱抗震縫。

其中教學樓區(qū)域為5層結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)為7.5 m×9.6 m，層高4.000 m，建筑物長度54 m；多功能教室區(qū)域為單層結(jié)構(gòu)，檐口標高7.000 m，主要柱跨為16 m。由于多功能室結(jié)構(gòu)層高跨度較大，采用結(jié)構(gòu)尺寸相對較大。

建筑抗震設(shè)防烈度：7度(第二組)，設(shè)計基本加速度值為0.10g，特征周期0.9 s，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，場地土類別 Ⅳ 類，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

結(jié)構(gòu)材料及其強度指標:混凝土：7.950以下的構(gòu)件：C35;7.950以上的構(gòu)件：C30;鋼筋：HRB400級：fy=360 mm/m2。

2 結(jié)構(gòu)超限分析

本項目上部結(jié)構(gòu)嵌固在基礎(chǔ)頂，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，由于建筑布置要求，本樓的上部結(jié)構(gòu)存在多項不規(guī)則，具體如下：

1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(位移比大于1.2，但小于1.4)。

2)結(jié)構(gòu)平面局部凸出尺寸大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，屬于平面凹凸不規(guī)則。

3)2層，3層平面立面局部收進的水平向尺寸大于相鄰下層的25%，屬于側(cè)向剛度不規(guī)則。

4)2層多功能教室上空開洞后，有效樓板寬度小于典型樓板寬度的50%，屬于樓板局部不連續(xù)。

根據(jù)以上不規(guī)則情況，本工程屬于建筑結(jié)構(gòu)平面和豎向均不規(guī)則，在初步設(shè)計階段進行抗震設(shè)防專項審查，在設(shè)計過程中，針對本工程平面和豎向均不規(guī)則情況采取針對性的加強措施。

3 抗震加強措施

本項目為特別不規(guī)則建筑，擬采取以下措施：

1)整體設(shè)計時采用兩個不同力學模型的軟件(盈建科和PMSAP)進行分析、比較。

2)調(diào)整梁、柱結(jié)構(gòu)布置及柱截面尺寸，盡量加高外圈框架梁高度，使其分布均勻、對稱，加強結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度，改善結(jié)構(gòu)動力特性。

3)使質(zhì)心與剛心的位置盡量接近，以減小地震作用時的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

4)對于平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的加強措施：適當調(diào)整計算模型，1層，2層以下部分(帶多功能教室)位移比Y向最大1.34。在施工圖階段將適當加強位移比較大柱的抗震措施，如采用型鋼混凝土柱、箍筋配筋率增大等，以加強延性及承載力。

5)對于凹凸不規(guī)則的加強措施：凹凸變化處梁柱抗震等級提高一級，加強板厚，按彈性板考慮，根據(jù)板的受彎、受拉壓應(yīng)力綜合進行配筋。

6)對于豎向不規(guī)則的加強措施：豎向不規(guī)則處梁柱抗震等級提高一級，加強板厚，按彈性板考慮，根據(jù)板的受彎、受拉壓應(yīng)力綜合進行配筋。錯層處框架柱采用型鋼混凝土柱，提高構(gòu)件承載能力，減小構(gòu)件軸壓比，箍筋全長加密，以加強延性及承載力。

7)側(cè)向剛度不規(guī)則：調(diào)整計算模型，加強一層剪切剛度，避免側(cè)向剛度不規(guī)則。

8)樓板不連續(xù)：樓板不連續(xù)處梁柱抗震等級提高一級，加強板厚，按彈性板考慮，根據(jù)板的受彎、受拉壓應(yīng)力綜合進行配筋。

4 計算分析及結(jié)果

結(jié)構(gòu)小震下的彈性分析

1)主要計算程序：YJK,PMSAP(2010新規(guī)范版);編制單位：中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部。

2)主要計算結(jié)果如下：a.盈建科計算結(jié)果：結(jié)構(gòu)自重(標準層平均質(zhì)量)：7 603 t(6.35 t/m2);第一振型：周期：0.847 0,方向角：173.21，平動系數(shù)：1.00,扭轉(zhuǎn)系數(shù)：0.00;第二振型：周期：0.829 6,方向角：83.32，平動系數(shù)：0.97,扭轉(zhuǎn)系數(shù)：0.03;第三振型：周期：0.675 5,方向角：83.12，平動系數(shù)：0.05,扭轉(zhuǎn)系數(shù)：0.95;扭轉(zhuǎn)自振周期與第一自振周期比：T扭/T1：0.797 5；地震作用最大方向角：174.624°。最大層間位移角(樓層號)：X向地震：1/576(4層)，Y向地震：1/553(4層);X向風荷載：1/7 779(4層)，Y向風荷載：1/2 483(4層);本層與上一層等效剪切剛度(或上三層等效剪切剛度平均值)之比最小值(樓層號)：1.353 5(2層);最大柱軸壓比：0.68。b.PMSAP計算結(jié)果：結(jié)構(gòu)自重(標準層平均質(zhì)量)：7 596 kN(6.34 t/m2);第一振型：周期：0.801 9,方向角：-10.21,平動系數(shù)：0.97,扭轉(zhuǎn)系數(shù)：0.03;第二振型：周期：0.785 6,方向角：80.25,平動系數(shù)：0.94,扭轉(zhuǎn)系數(shù)：0.04;第三振型：周期：0.650 3,方向角：88.93，平動系數(shù)：0.05,扭轉(zhuǎn)系數(shù)：0.95;扭轉(zhuǎn)自振周期與第一自振周期比：T扭/T1：0.810 9;地震作用最大方向角：-7.99°;最大層間位移角(樓層號)；X向地震：1/594(4層)，Y向地震：1/613(4層);X向風荷載：1/7 937(2層)，Y向風荷載：1/2 672(4層)；本層與上一層等效剪切剛度(或上三層等效剪切剛度平均值)之比最小值(樓層號)1.20(2層)；樓層的受剪承載力之比最小值(樓層號)：0.80(2層)；最大柱軸壓比：0.70。

根據(jù)計算結(jié)果的數(shù)據(jù)表明，YJK和PMSAP兩個程序的計算結(jié)果總體上是接近的，2號樓結(jié)構(gòu)具有較好的抗側(cè)與抗扭剛度。X，Y方向的振型有效質(zhì)量參與系數(shù)均大于規(guī)范要求的0.9要求；扭轉(zhuǎn)周期與第一周期之比小于0.9，能滿足規(guī)范要求；彈性層間位移角能滿足抗震規(guī)范要求的地震作用下1/550(框架)的限值；樓層最大水平位移與質(zhì)心位移之比小于抗震規(guī)范中1.5的限值。

3)彈性時程分析：選取兩條實際地震波SHW3，SHW7和一條人工地震波SHW2作為輸入地震波，地面運動最大加速度取35gal，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，時間間隔取0.02 s。計算結(jié)果表明，它們的基底剪力都滿足規(guī)范對每條地震波的基底剪力不小于反應(yīng)譜法的65%，平均基底剪力不小于反應(yīng)譜法的80%的要求，結(jié)構(gòu)的平均反應(yīng)在兩個方向上均與CQC法的結(jié)果較為接近，樓層位移曲線和層間位移角曲線都基本光滑，無剛度突變現(xiàn)象，也無明顯薄弱層，見表2。

表2 基底剪力一覽表 kN

結(jié)構(gòu)大震下彈塑性變形計算：

選取兩條實際地震波TH1TG090，TH2TG090和一條人工地震波RH1TG090作為輸入地震波，地面運動最大加速度取220gal，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，時間間隔取0.02 s，地震波終止計算時間30 s。

根據(jù)計算結(jié)果，X向底層層間彈塑性位移比為1/90,X向最大層間彈塑性位移比為1/92(二層)；Y向底層層間彈塑性位移比為1/121,Y向最大層間彈塑性位移比為1/90(二層)，均可滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

我們在概念設(shè)計的基礎(chǔ)上對本工程進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過計算分析，我們得到的結(jié)論如下：

1)計算結(jié)果表明，本樓有比較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足現(xiàn)行的規(guī)范要求。

2)時程分析的結(jié)果表明，盡管結(jié)構(gòu)有豎向不規(guī)則現(xiàn)象，但是本樓是結(jié)構(gòu)的下部抗側(cè)剛度大于上部抗側(cè)剛度，所以結(jié)構(gòu)基本無薄弱層現(xiàn)象產(chǎn)生。

3)通過簡化彈塑性計算方法, 本樓最大層間位移均滿足規(guī)范要求。

4)通過計算和分析，本工程所采取的加強措施是合理的。

5)通過小震和大震驗算，本工程可以達到規(guī)范所要求的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的預(yù)期性能目標。