基于實例建筑的優化設計與抗震性能分析

余文柏，劉 洋

（1.重慶大學建筑規劃設計研究總院有限公司，重慶 400045；2.河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054035）

我國是世界上多地震國家之一，為了對新建建筑物在建造時進行抗震性能的設計與分析，延長建筑物的使用壽命，自20 世紀90 年代起，我國在總建筑業投資中的設計和維護的比率逐步上升，其中幼兒園這樣的重要場所自然不能忽視，稍有設計不合理就可能會導致整個建筑物使用功能障礙，甚至使結構出現破壞[1]。加強對幼兒園建筑的抗震設計[2]，確保在地震來臨時，最大程度保障孩子們的生命安全是一項重要的任務，為此需要針對這樣有抗震要求的特殊場所提出綜合設計方案，并對其進行抗震性能分析[3]。

本文結合實際工程案例，從各種工況地震波的選擇、阻尼器的布置等方面[4]，依據多遇地震、罕遇地震結構彈塑性驗算[5]，以及結構子構件的性能設計[6]，提出了幼兒園建筑的設計思路并進行了抗震性能分析。本項目依據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010 來進行設計與分析，為今后建筑的抗震性能分析提供了依據與參考[7]。

一、工程概況

1.結構體系布置概述

本工程結合某幼兒園案例分析，工程結構主體為框架結構，地下一層，地上三層，分為上、中、下三個獨立的結構單元，單元之間結構縫的寬度為150 mm，平面布置圖如圖1 所示。為更好地提高建筑的整體抗震性能，在其中地上一層與地上二層的相同位置布置阻尼器，每個獨立單元布置6 組，共計18 組阻尼器。阻尼器的布置如圖2 所示。

圖1 結構縫布置平面圖

圖2 幼兒園一層阻尼器平面布置圖

圖3 上單元時程反應譜與規范反應譜曲線

圖4 上單元地震波的加速度時程曲線

2.結構規則性與抗震不利因素分析

首先對結構進行規則性與抗震不利因素分析：根據平面布置及計算結果，依據某抗震設防超限高層民用建筑工程界定標準對結構上、中、下三個單元的不規則情況進行判斷，發現結構均無薄弱層和軟弱層；結構豎向抗側力構件連續；結構的整體穩定性驗算滿足，因此得出三個單元均不屬于不規則結構[8]，場地內分布有軟弱土（雜填土），因此得出為建筑抗震不利地段[9]。

二、結構整體計算分析

1.結構分析軟件

本項目主體結構采用PKPM 軟件進行整體反應譜分析和彈性時程分析，采用高性能非線性分析軟件MIDAS GEN 進行動力彈性時程分析和動力彈塑性時程分析。

2.反應譜分析計算

本項目三個單元結構模型在多遇地震作用下的彈性反應譜分析采用PKPM 軟件進行計算。考慮偶然偏心、雙向地震作用以及施工模擬加載影響。結構模型計算參數如表1 所示。

表1 結構模型計算參數

經過計算分析得出在未設置消能器的模型（非減震模型）多遇地震下反應譜分析結果如表2 所示。

表2 幼兒園三個單元SATWE 計算結果

三、結構抗震性能驗算

1.減振目標與設計方法

本項目主體結構需要采用減隔震技術，經綜合成本及減震效果考慮，最終選用粘滯消能器減震技術[10]，本項目的減震目標是通過設置消能減震裝置有效消耗地震能量，使建筑抗震性能明顯提高。鋼筋混凝土框架結構的幼兒園在多遇地震時減震目標為1/550，設防地震時減震目標為1/400（附加阻尼比為3.0%，結構總阻尼比為8.0%）；罕遇地震時減震目標為1/150（附加阻尼比為3.0%，結構總阻尼比為8.0%）；減震結構與非減震結構的層間位移角之比小于0.75[11].

本項目主體結構在多遇地震時，性能目標為完好，材料強度采用設計值。并滿足層間位移角1/620限值；設防地震時，性能目標為輕微損壞；普通豎向構件、普通水平構件（框架梁、連梁等）按標準值復核承載力；進行結構構件的抗震承載力、變形和構造設計。并滿足層間位移角1/400 限值；罕遇地震時，性能目標為中等破壞，設計方法是，關鍵構件按極限值復核承載力；普通豎向構件、普通水平構件關鍵構件承載力達到極限值后能維持穩定，降低少于5%；進行結構構件的抗震承載力、變形和構造設計。并滿足層間位移角1/150 限值。

2.地震波的選取

本項目主體結構抗震性能分析時采用時程分析法，選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，地震波信息如表3所示。經過計算得出的幼兒園上單元地震波反應譜曲線及加速度時程曲線如圖3-4所示[12]。

表3 地震波信息表

3.主樓減振結構時程分析模型

本項目主體結構是鋼筋混凝土框架結構，在進行建模計算時采用MIDAS 軟件，在建模時對三個獨立單元分別建模。在建模完成后，將阻尼器加入到實際模型中，需要對阻尼器進行建模處理，本項目中所有消能部件均在計算軟件中真實建立，阻尼器的計算模型，可采用雙線性模型來設置的阻尼器屬性。

4.主樓多遇地震下彈性時程分析

本項目主樓結構三個單元各條地震波作用下結構底部剪力彈性時程分析結果均滿足大于CQC 的65%小于135%，且七條波計算所得的結構底部剪力的平均值滿足大于CQC 法求得的底部剪力的80%小于120%的要求，因此從基底剪力角度判斷，所選地震波是滿足規范要求的。

三個單元小震時程分析基底剪力統計如圖5 所示。

圖5 三個單元小震時程分析基底剪力統計

5.主樓設防地震下彈塑性時程分析

本項目經過軟件計算，得出減震結構在中震作用下的設防地震彈塑性時程分析位移角統計數據，從數據中我們可以發現在三個單元的X 向和Y 向地震波作用下，最大彈塑性層間位移角均出現在結構第二層。其中：上單元的X 向最大結構彈塑性層間位移角為1/432，Y 向為1/430，中單元X 向最大結構彈塑性層間位移角為1/427，Y 向為1/428，下單元X 向結構彈塑性層間位移角最大為1/409，Y 向為1/416，均滿足規范要求的1/400 的限值，且滿足原定減震目標。

6.主樓罕遇地震下彈塑性時程分析

在《建筑抗震設計規范》中5.5.2 條規定：采用隔震和消能減震設計的結構，應進行彈塑性變形驗算，同時為進一步驗證本項目消能減震結構在大震下的性能以及阻尼器的工作情況，采用MIDAS GEN 軟件進行了罕遇地震作用的動力彈塑性時程分析，共進行了七條波，每條波均對X、Y 向分別進行了動力彈塑性時程分析。

分析模型中框架梁的塑性鉸采用My、Mz 方向的彎曲鉸，滯回模型采用修正的武田三折線模型。框架柱的塑性鉸采用PMM 鉸，滯回模型采用隨動硬化模型。經過計算得出的結構在各地震波工況下對應的基底剪力如圖6 所示.

圖6 結構在各地震波工況下基底剪力統計

7.結構出鉸情況

本項目主體結構的屈服主要集中在框架梁等耗能構件。子結構僅出現第一階段塑性鉸，無第二屈服階段的塑性鉸。結構整體抗震性能良好。實際施工圖設計時將對彈塑性分析中發現的薄弱的構件進行有針對性的加強，總體來看塑性鉸較為顯著的位置主要集中在框架梁上。其余單元在其它地震波工況下結構出鉸情況與RH1 基本類似。

四、子結構承載力驗算

根據《建筑消能減震技術規程》（JGJ 297-2013）第6.4.2 條：消能子結構中梁、柱、墻構件宜按重要構件設計，并應考慮罕遇地震作用效應和其他荷載作用標準值的效應，其值應小于構件極限承載力。

結構上單元中700 mm×700 mm 的柱子數量最多，有13 顆，選取受力最不利的4 顆進行構件分析，標號分別為1F-12×N，1F-13×N，1F-10×S，1F-12×S。最終經過計算分析，得出的子結構柱信息以及在罕遇地震效應組合下壓彎承載力的驗算結果如圖7 所示。

圖7 柱信息以及在罕遇地震效應組合下壓彎承載力驗算

四、結語

在研究建筑物整體性能指標上，需要將彈性時程分析與反應譜分析兩種方式結合起來，主要分析建筑物的層間位移角、基地剪力等指標，共同判定結構的整體性能與需要進行設計的部位和柱等構件。

第一，本工程雖然存在扭轉不規則，但在結構設計中采用有針對性的計算和措施，計算分析結果表明，該工程結構體系選用合理，各項指標均滿足現行規范的限值要求。

第二，本工程采用減震技術，提高了結構抗震性能，保證了設防地震下結構滿足正常使用要求。

第三，針對重點部位進行性能化設計加強計算和配筋，使結構的不規則程度得到有效控制，保證關鍵部位構件的抗震安全富余量。

通過結構計算分析結果表明結構選型、布置及各項抗震加強措施是合理有效的，結構在地震作用下抗震性能均能滿足規范要求。