雙層復雜水池結構抗震設計探討

劉雙鳳

【摘 要】本文以高烈度區雙層水池為背景，利用設計軟件對其進行分析，重點分析其地震響應情況，對不同軟件計算得出的地震響應結果進行對比和分析，并對結構薄弱部位[1]采取適當構造措施，為同類設計提供參考依據。

【關鍵詞】雙層水池;地震響應;薄弱部位

本工程為雙層水池，結構形式特殊，計算時需采取不同措施：利用YJK軟件以層為概念按建筑物建立計算模型，利用MIDAS有限元軟件按水池構筑物建立有限元分析模型，根據兩種軟件計算的差異情況進行分析。

一、分析參數

本工程由上下兩層水池架空布置而成，長x寬：35.8m x 31.9m，結構高度：地上15米，地下5.8米，下層水池底板標高-5.8m， 頂標高2.55m，上層水池底標高6.65m，頂標高15m。兩層水池中間架空4.1m，架空層設置剪力墻，厚度同池壁500厚，上層水池底板為500厚，每層水池均布置六格水池，每層水池深度為8.32m，水深8m，基礎形式采用筏板基礎。砼采用C40高強砼。

持力層為粉土層，承載力特征值為140Kpa。

1.1地震荷載工況

地震重力荷載代表值需考慮以下參數：

A：恒載;包括樓板自重，面層荷載，水池池底濾料承托層荷載，墻重及鋼屋面荷載;

B：活載;包括樓面活荷載及水荷載;計算地震響應時將池內水荷載總質量集中于池壁4個角部中點深度處;池內水荷載地震重力荷載代表值活載組合值系數取1.0。

C：滿水和部分空格工況

根據工藝提資：上層6格中隨機2格停水檢修，下層濾池東西2格同時停水檢修考慮。計算時取對抗震最不利的荷載偏心布置。

二、分析結果

2.1地震周期對比

2.2振型

兩種軟件計算出來的振型模態基本一致，即Y向為第一平動，X向為第二平動，第三振型均為扭轉振型。

2.3地震位移（mm）

從上述結果可以看出，結構的地震周期和地震位移結果都不是很大，由于架空層采用500厚同池壁厚度的剪力墻，增加了結構的整體抗側剛度，使之能夠抵抗水平地震荷載，兩個方向的地震響應情況接近，說明兩個方向抗側剛度基本一致。

但從上述結果中midas計算出來的地震響應結果比YJK的結果大一些，由于YJK模型中將本工程視為“房屋結構體系”，即層概念，地下一層水池視為地下室，對上部結構形成一定的嵌固作用。而Midas模型中將本工程視為水池構筑物，沒有層的概念，設置支座時僅考慮底板土的彈性支撐作用，不考慮周邊土對地下結構的有效嵌固作用，因此結構相比前者較“柔”。另外，后者忽略地下周邊土對豎壁有效嵌固作用，地震扭轉效應會比前者要大。除了上述影響因素外，還有就是兩種軟件考慮的地震質量重心高度不一樣，由于本工程水荷載較大，而YJK軟件僅考慮將水荷載轉化為樓面標高處的質量，Midas則考慮水荷載的重心高度處的質量，盡管質量相同，但是質量所在的高度不同，后者考慮的質量重心高度比前者高，故周期也會比前者長。

2.4地震薄弱層[1]分析

本工程結構屬于“頭重腳輕”，質量分布極度不均勻，對抗震極為不利，地震荷載作用下，該層容易最早出現破壞，因此架空層成為抗震相對薄弱的一層，即“薄弱層[1]”。

從YJK數據可知，第二層架空層抗剪承載力出現突變，由此可見，第二層架空層是結構的薄弱層，以架空層某片剪力墻豎向內力分析為例，地震荷載產生的豎向力占豎向內力組合值的28%左右，而風荷載僅占1%，由此可見地震荷載對于薄弱層設計影響不容忽視。

由Midas分析結果可看出，地震荷載作用下薄弱層應力會出現突變，本層應力比上下層都要大，邊角部位會出現不同程度的應力集中現象，受力情況復雜，設計時需對這些區域重點關注并采取構造加強措施。由于該層的存在，地震荷載作用下結構頂部位移特別是扭轉位移效應明顯，因此加強本層的剛度和強度是本工程設計的關鍵環節。

三、結束語

綜上所述，對于復雜雙層水池必須采取構造加強措施：

a.提高剪力墻抗震構造措施等級、剪力墻邊緣構件從底到頂均通長設置的構造措施加強薄弱層強度;

b.剪力墻頂底設置通長暗梁、擴大剪力墻邊緣構件范圍以及增加邊緣構件配筋率，采用高標號砼，高強鋼筋等一系列構造措施緩解地震荷載作用下剪力墻邊角部位出現的應力集中。

c.每層水池頂部環形走道挑板采取加厚處理形成水平加勁肋作用、每格水池頂部增加四角構造斜筋等構造措施限制結構在地震作用下過大的扭轉效應;

d.合理布置剪力墻使兩個方向抗側剛度接近以減少偶然偏心產生的不利影響。

e.基礎采用大面積筏板基礎，可以有效減小基礎的不均勻沉降作用以及保證在水平地震作用下基底不會出現零應力區的情況。同時在具體設計過程中注意不應忽視地震時出現的動土壓力[3]和動水壓力[3]，水池壁板配筋時應考慮這一內力增大后引起的配筋增加。

對于高烈度區多層復雜水池結構，計算上需要采取多種計算措施，當計算結果出現大的偏差時，應分析原因，同時針對薄弱層采取相應的構造加強措施，這樣才能保證結構計算的準確和結構安全。

【參考文獻】

[1]： 《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010（2016年版） ?2016.08 .01

[2]： ?文保軍1 梁興文2 侯麗娜3. 鋼筋混凝土剪力墻塑性鉸區受剪承載力分析 2007.10.28

[3]： 《給水排水工程結構設計手冊》建筑工業出版社 ?2017.01 .01