2020年7期
       

江西省博物馆超限结构抗震性能设计
作者：曾琼
单位：江西省建筑设计研究总院
摘要：以目前在建的江西省博物馆超限高层建筑为例,结合基于性能的抗震设计理论和方法,根据建筑物的重要性合理确定结构的抗震性能目标及构件在各设防地震烈度下的性能水准。使用PKPM,MIDAS,YJK软件进行多遇地震作用下弹性计算分析、设防地震作用下弹性和不屈服分析,采用SAUSAGE软件进行罕遇地震弹塑性分析。通过弹塑性时程分析方法验算罕遇地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),根据分析结果提出抗震加强措施以确保结构在各设防烈度下满足预期的抗震性能目标。
关键词：超限高层 抗震性能设计 弹性分析 动力弹塑性分析
作者简介：曾琼,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师,Email:601830529@qq.com。
基金： -页码-：44-49

0 概述

　　 随着科技不断发展,城市建设进程不断加快,越来越多的建筑呈现复杂性、多样性,超限建筑也越发普遍。基于性能的抗震设计得到了广泛的关注 [1,2,3,4,5,6]。以江西省博物馆新馆超限高层建筑为例,结合基于性能的抗震设计理论和方法,根据建筑物的重要性合理确定结构的抗震性能目标及构件在各设防地震烈度下的性能水准,使用有限元分析软件PKPM,MIDAS,YJK进行小震弹性、中震弹性和中震不屈服分析,采用SAUSAGE软件进行大震弹塑性分析。根据分析结果提出抗震加强措施以确保结构在各设防地震烈度下满足预期的抗震性能目标。

1 工程概况

　　 本工程位于江西省南昌市凤凰洲红谷北大道以东,项目用地面积39 910.81m2,总建筑面积854 17.83m2。博物馆建筑平面尺寸116.0m×116.0m,结构总高度41.4m。属于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) [7](简称高规)中A级高度。展厅部分地上5层,1～4层层高为9m,1层局部有夹层(层高4.5m),5层层高为5.4m;库房部分9层,1～8层层高为4.5m,9层层高为5.4m。通过设置防震缝将库房和展厅分成两个独立的结构抗震单元。展厅部分采用框架-剪力墙结构体系,框架柱为型钢混凝土柱或钢筋混凝土柱;承重墙体为钢筋混凝土剪力墙;框架梁为钢筋混凝土梁或型钢混凝土梁。库房部分采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。本工程设计使用年限100年,建筑结构安全等级一级,建筑抗震设防类别为重点设防(乙类)。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) [8](简称抗规)的规定,本工程抗震设防烈度6度,设计基本加速度0.05g,设计地震分组第一组,建筑场地类别Ⅱ类,场地特征周期0.35s。按设防烈度6度进行地震作用计算,抗震措施按7度考虑,框架、剪力墙抗震等级二级。基本风压0.55kN/m2,地面粗糙度B类,基础采用机械钻孔灌注桩+承台的形式,桩端持力层为中风化粉砂质泥岩。地基基础设计等级及建筑桩基设计等级均为甲级。图1,2为建筑物效果图及整体结构模型图。

图1 建筑物效果图

　　 图1 建筑物效果图   

　　  

图2 整体结构模型图

　　 图2 整体结构模型图   

　　  

2 结构超限判定

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号) [9],本工程展厅部分为超限高层建筑,超限内容为:1)扭转不规则:在规定水平力作用下,楼层的最大弹性水平位移(层间位移),大于该楼层两端弹性水平位移(层间位移)平均值的1.2倍;2)凹凸不规则:平面凹凸尺寸大于相应边长30%;3)楼板局部不连续:2层楼板局部开洞后有效楼板宽度小于该楼板典型宽度的50%;4)侧向刚度不规则:由于5层结构层高为5.4m,4层结构层高为9m,导致4层侧向刚度小于5层的70%;5)其他不规则:1～2层之间有局部夹层。

3 抗震性能目标和抗震性能水准

　　 根据高规,综合考虑各种因素,确定主楼抗震性能目标为C级,针对不同构件制定不同的性能水准(表1,2)用以指导结构构件设计。

　　 抗震性能化目标 表1


地震烈度		 多遇地震 设防地震 罕遇地震

重现期T		 50年 475年 1 600年

抗震性能水准		 1 3 4

层间位移角限值		 1/800 — 1/100

关键
构件
底部加强区剪力墙		 弹性 抗剪弹性,抗弯不屈服 抗弯、抗剪不屈服

底部加强区框架柱		 弹性 抗剪弹性,抗弯不屈服 抗弯、抗剪不屈服

5层取消剪力墙
位置处的框架柱、
大跨度悬臂梁		 弹性 抗剪弹性,
抗弯不屈服		 抗弯、抗剪不屈服

普通
竖向
构件
非底部加强区
剪力墙		 弹性 抗剪弹性,抗弯不屈服 部分屈服,但受剪截面满足限制条件

非底部加强区
框架柱		 弹性 抗剪弹性,抗弯不屈服 部分屈服,但受剪截面满足限制条件

耗能
构件
框架梁		 弹性 抗剪弹性,抗弯不屈服 大部分屈服,但受剪截面满足限制条件

连梁		 弹性 部分抗弯屈服,但抗剪不屈服 大部分屈服,但受剪截面满足限制条件

　　  

　　 各性能水准结构预期的震后性能状况 表2


结构抗震
性能水准		 宏观损
坏程度
损坏部位		 继续使用
的可能性

关键
构件		 普通竖
向构件		 耗能
构件
1 完好、
无损坏		 无损坏 无损坏 无损坏 不需要修理即可继续使用

3		 轻度
损坏		 轻微
损坏		 轻微
损坏		 中度损坏、部
分中度损坏		 一般修理后可继续使用

4		 中度
损坏		 轻度
损坏		 部分构件
中度损坏		 中度损坏、部
分严重损坏		 修复或加固后可继续使用

　　  

4 地震作用下结构整体抗震性能分析

4.1 多遇地震作用下的结构分析

　　 多遇地震作用下的结构抗震设计采用SATWE(2010版V2.2),YJK V1.7以及MIDAS Building(2014版)3种软件进行计算分析,结构主要结果见表3。

　　 根据表3可以看出:由SATWE,YJK及MIDAS Building软件按振型分解反应谱法计算得到的最大层间位移角、最大层间位移比、周期比(限值0.9)、有效质量系数、剪重比、刚重比均满足高规的要求,1层夹层及5层已按薄弱层进行设计,结构构件均处于弹性状态,说明本工程结构可以满足“小震不坏”的设防目标。

4.2 多遇地震作用下的弹性时程分析

　　 采用YJK软件,选用2条天然波Coalinga-01_NO_340(Tg=0.34s),N.Palm Springs_NO_532(Tg=0.37s)和1条人工波ArtWave-RH4TG035(Tg=0.35s)进行多遇地震作用下的弹性时程分析。所选3条地震波的平均地震影响系数曲线与规范反应谱法对比见图3。由图3可知各地震波地震影响系数在对应于结构主要振型的周期点上与规范反应谱相差基本小于20%,选用的地震波满足规范要求。

　　 结构弹性分析结果 表3


计算软件		 SATWE YJK MIDAS Building

结构质量/t		 192 269.2 191 851.4 193 796.7

自振周期/s(X向平动系数+Y向平动系数+扭转系数)
T1		 1.747 8(0.01+
0.71+0.28)		 1.693 4(0.23+
0.58+0.19)		 1.771 7(0.01+
0.56+0.23)

T2		 1.654 9(0.96+
0.03+0.01)		 1.626 0(0.77+
0.19+0.04)		 1.660 4(0.71+
0.02+0.06)

T3		 1.502 1(0.03+
0.27+0.71)		 1.504 2 (0.00+
0.23+0.77)		 1.520 5(0.08+
0.20+0.51)

周期比T3/T1		 0.859 0.888 0.86

总地震
剪力/kN
X向		 20 767.5 19 555.6 19 065.3

Y向		 17 545.5 19 707.5 16 255.9

框架柱承担底
部倾覆力矩比
X向		 52.61% 53.2% 57.8%

Y向		 56.75% 54.5% 64.6%

地震作用下最
大层间位移角
X向		 1/1 942 1/1 641 1/2 027

Y向		 1/1 681 1/1 756 1/1 817

地震作用下最
大层间位移比
X向		 1.28 1.36 1.22

Y向		 1.40 1.35 1.34

剪重比
X向		 1.04 1.04 1.46

Y向		 1.04 1.04 1.39

最小层刚度
比(5层)
X向		 0.79 0.83 0.89

Y向		 0.78 0.79 0.86

最小层间受剪承
载力比(1层夹层)
X向		 0.71 0.74 0.73

Y向		 0.72 0.73 0.76

　　  

图3 规范谱与反应谱对比图

　　 图3 规范谱与反应谱对比图   

　　  

　　 抗规第5.1.2条要求时程分析法的计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不小于振型分解反应谱法(CQC法)计算结果的80%,每条地震波输入的计算结果不小于振型分解反应谱法计算结果的65%,不大于135%,多条波平均值不大于120%。表4为各条地震波与CQC法的基底剪力计算结果比较。

　　 采用YJK软件进行弹性时程分析与按照CQC法计算的结构顶点位移、层间位移角结果见表5。

　　 基底剪力比较 表4


地震波		 基底剪力/kN 时程分析法与
CQC法比值

时
程
分
析
法
Coalinga-01_NO_340
X向		 17 195.817 0.86

Y向		 17 732.762 0.88

N. Palm Springs_NO_532
X向		 15 580.631 0.78

Y向		 16 305.872 0.81

ArtWave-RH4TG035
X向		 17 128.759 0.86

Y向		 16 305.159 0.81

平均值
X向		 16 635.069 0.83

Y向		 16 781.264 0.84

CQC法
X向		 19 831.649 —

Y向		 19 964.423 —

　　  

　　 结构顶点位移、层间位移角结果 表5


地震波		 Coalinga-
01_NO_340		 N. Palm
Springs_NO_532		 ArtWave-
RH4TG035		 CQC法

位移/mm
X向		 9.655 11.984 13.172 19.48

Y向		 10.318 12.629 12.728 19.01

最大层间
位移角
X向		 1/2 541 1/2 242 1/2 541 1/1 641

Y向		 1/2 487 1/2 091 1/2 624 1/1 756

　　  

　　 综上,CQC法结果起主要控制作用,对上部楼层设计时,地震剪力采用时程分析结果包络值与CQC法的较大值。根据弹性时程分析结果,CQC法分析时各楼层的地震剪力地震乘以表6中的放大系数即可完成包络设计。

　　 时程分析法与CQC法计算的剪力 表6


楼层		 方向 时程分析法
剪力/kN		 CQC法剪力
/kN		 比值 放大系数

8
X向		 1 132.539 946.216 1.197 1.197

Y向		 1 244.815 1 020.633 1.220 1.220

7
X向		 9 834.039 8 948.905 1.099 1.099

Y向		 10 154.897 9 213.816 1.102 1.102

6
X向		 13 375.228 13 013.386 1.028 1.028

Y向		 13 537.072 13 186.582 1.027 1.027

5
X向		 13 397.517 15 359.301 0.872 1.000

Y向		 13 238.122 15 322.790 0.864 1.000

4
X向		 15 387.748 17 835.640 0.863 1.000

Y向		 15 309.770 17 831.094 0.859 1.000

3
X向		 16 473.996 19 436.685 0.848 1.000

Y向		 16 816.333 19 543.488 0.860 1.000

2
X向		 17 195.817 19 831.649 0.867 1.000

Y向		 17 732.762 19 964.423 0.888 1.000

　　  

　　 弹性计算结果表明,多遇地震时达到抗震性能水准1的性能要求,结构构件的正截面承载力及受剪承载力均满足弹性设计要求。

4.3 设防地震作用下弹性反应谱法分析

　　 中震弹性计算和中震不屈服计算主要是针对本工程构件的性能目标进行量化计算。按结构抗震性能目标要求,使用SATWE软件对结构中震作用下能否达到抗震性能水准3的要求进行复核,即在中震作用下,关键构件及普通构件的正截面承载力符合抗弯不屈服,受剪承载力符合抗剪弹性;部分耗能构件抗弯进入屈服阶段,但其抗剪不屈服。

　　 本工程中震弹性计算和中震不屈服计算分析结果见图4,5。分析结果表明:在设防烈度地震作用下,由SATWE软件计算结果显示关键构件(底部加强区剪力墙、框架柱)及结构竖向构件的正截面承载力满足中震不屈服、抗剪承载力满足中震弹性的要求;框架梁正截面承载力满足中震不屈服、抗剪承载力满足中震不屈服的要求,局部连梁出现屈服状态,但其抗剪承载力满足中震不屈服的要求,属于局部延性损坏,经一般修理可继续使用,结构在设防烈度地震(中震)作用下能达到预期的性能目标。结构的最大层间位移角X向为1/1 008,Y向为1/789,层间位移变形值均小于2倍弹性位移限值,说明本工程结构可以满足“中震可修”的设防目标,在中震作用下,结构满足预设的抗震性能水准3的要求。

图4 中震作用下的楼层剪力曲线

　　 图4 中震作用下的楼层剪力曲线   

　　  

图5 中震作用下的层间位移角曲线

　　 图5 中震作用下的层间位移角曲线   

　　  

4.4 罕遇地震作用下结构动力弹塑性时程分析

　　 选用由SAUSAGE软件提供的2组天然波TH031TG040,TH045TG040和1组人工波RH3TG040,并采用SAUSAGE软件进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。各地震波曲线见图6,抗规规定6度罕遇地震峰值加速度为125cm/s2,本工程考虑100年设计使用年限,本次罕遇地震作用下的弹塑性时程分析地震峰值加速度取163cm/s2。各组地震波均按地震主方向为X向和Y向分别进行加载,主方向与次方向的加速度峰值比值为1∶0.85。

图6 各地震波主方向反应谱

　　 图6 各地震波主方向反应谱   

　　  

　　 本工程所采用3条地震波满足抗规规定,即多组时程曲线的平均地震影响系数应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

　　 各组地震波作用下大震弹塑性时程分析与大震弹性时程分析最大基底剪力对比见表7。分析数据表明,X向与Y向的大震弹塑性分析最大基底剪力相比大震弹性有所减少,大震作用下结构反应减小较多,结构刚度退化较多,表明大震作用下结构吸收和耗散了较大的地震能量,具有良好的耗能性能和减震性能。

　　 大震弹性和大震弹塑性最大基底剪力对比 表7


地震波		 TH031TG040 TH045TG040 RH3TG040 平均值

弹塑性分析
基底剪力/kN
X向		 57 660 59 260 59 590 58 840

Y向		 61 780 60 190 56 550 59 500

弹性分析基底
剪力/kN
X向		 69 100 88 720 87 700 81 840

Y向		 70 640 75 280 74 040 73 320

比值
X向		 0.834 0.668 0.679 0.719

Y向		 0.870 0.800 0.760 0.810

　　  

　　 大震弹塑性时程分析结果见表8,通过表8可以看出:各条波的剪重比、顶点位移、层间位移角相差不大。天然波TH031TG040作用下最不利X向最大层间位移角达到1/195(2层),最不利Y向最大层间位移角达到1/306(2层),均小于高规限值1/100,该工程在大震下的变形满足要求。

　　 大震弹塑性时程分析结果 表8


地震波		 TH031TG040 TH045TG040 RH3TG040 最大值

剪重比/%
X向		 4.34 4.46 4.48 4.48

Y向		 4.65 4.53 4.26 4.65

最大顶点
位移/m
X向		 0.113 0.083 0.076 0.113

Y向		 0.089 0.083 0.08 0.089

最大层间位移
角(所在楼层)
X向		 1/195(2层) 1/271(2层) 1/289(2层) 1/195

Y向		 1/306(2层) 1/315(2层) 1/308(2层) 1/306

　　  

图7 楼板损伤图

　　 图7 楼板损伤图   

　　  

图8 框架梁损伤图

　　 图8 框架梁损伤图  

　　  

图9 框架柱损伤图

　　 图9 框架柱损伤图   

　　  

图10 剪力墙损伤图

　　 图10 剪力墙损伤图   

　　  

图11 连梁损伤图

　　 图11 连梁损伤图   

　　  

　　 按照抗规,大震下性能目标4结构层间位移参考指标为:结构不严重破坏,变形不大于0.9倍塑性变形值,即层间位移角不大于0.9×1/100=1/111;3条地震波分析结果表明结构抗震能力在大震下可以满足性能目标4的要求。

　　 高规将结构的抗震性能分为5个水准,即1,2,3,4,5水准对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”5个级别。钢筋混凝土构件中的钢筋一般主要考察受拉塑性应变,同时考察混凝土材料的受压损伤情况,其程度以损伤因子表示;剪力墙构件在边缘混凝土单元出现受压损伤后,构件承载力不会立即下降,其损坏判断标准应有所放宽,因此以剪力墙受压损伤横截面面积作为其严重损坏的主要判断标准;连梁和楼板的损坏程度判别标准与剪力墙类似,楼板以承担竖向荷载为主,且具有双向传力性质,小于半跨宽度范围内的楼板受压损伤达到0.6时,尚不至于出现严重损坏而导致垮塌。

　　 在SAUSAGE中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材(钢筋)的塑性应变程度作为评定标准,其与高规中构件的损坏程度对应关系如表9所示。

　　 性能水平和损伤因子关系 表9


序号		 性能水平
梁柱		 墙板

εp/εy		 dc dt εp/εy dc
1 无损坏 0 0 0 0 0

2		 轻微损坏 0.001 0.001 0.2 0.001 0.001

3		 轻度损坏 1 0.001 1 1 0.001

4		 中度损坏 3 0.2 1 3 0.2

5		 重度损坏 6 0.6 1 6 0.6

6		 严重损坏 12 0.8 1 12 0.8

　　 注:表中数值为单元各性能水平指标上限值;εp/εy 为钢筋塑性应变与屈服应变的比值;dc为混凝土受压损伤系数;dt为混凝土受拉损伤系数;梁柱构件性能等级取单元性能等级最大值;墙板构件性能等级取单元按面积加权平均后的性能等级。

　　  

　　 天然波TH031TG040作用下结构构件的损伤情况如图7～11所示。

　　 通过图7～11可以看出,楼板在大震作用下表现较好,仅在开洞等处出现了轻微损伤;框架梁基本处于轻微损伤;剪力墙处于轻微损伤和轻度损伤状态;连梁中度损伤,局部严重损伤,说明连梁充分发挥了耗能作用;作为关键构件的框架柱基本上处于轻微损伤和轻度损伤状态,普通竖向构件的框架柱(5层)部分出现了中度损伤。

　　 本工程罕遇地震作用下弹塑性时程分析结果表明:

　　 (1)在考虑重力二阶效应及大变形的条件下,结构在罕遇地震作用下的最大顶点位移为113mm,并最终仍能保持直立,满足“大震不倒”的设防要求。

　　 (2)主体结构在各组地震波作用下的最大弹塑性层间位移角为1/195,满足规范要求。

　　 (3)剪力墙上的连梁充分发挥了耗能作用。

　　 (4)楼板无明显损伤,可以保证罕遇地震下水平力良好的传递。

　　 综上所述,本结构耗能机制及抗震性能良好,满足抗震性能目标4的要求。

5 结论

　　 通过对结构进行小震、中震及大震的分析,可知各个构件均能满足预期的性能水准,基本能满足预期的性能目标C。通过分析找出薄弱构件并采取以下加强措施:

　　 (1)提高底部加强区剪力墙配筋率为0.6%,并控制罕遇地震下墙体的裂缝开展。

　　 (2)适当提高刚度突变处5层框架柱的纵筋配筋率及体积配箍率,柱内设置型钢。

　　 (3)对不同部位设置不同截面的连梁,通过设置斜向钢筋控制连梁破坏时的损伤程度,提高抗剪性能和延性性能,保证连梁强剪弱弯。

　　 (4)开大洞楼层板厚加大并加强板配筋。地下室顶板作为塔楼的嵌固端,加强塔楼嵌固端周边构件及相关范围内连接构件设计,使结构满足强柱根要求。

　　 (5)对建筑填充墙、凸出屋面女儿墙等构件通过设置构造柱和水平连系梁将地震作用有效传递到主体结构上。对于楼梯间及夹层处的框架短柱通过控制轴压比、箍筋全长加密等措施提高其抗震性能。

　　  

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Seismic performance design of out-of-code structure for Jiangxi Provincial Museum
ZENG Qiong
(Jiangxi Province Architectural Design & Research Institute)
Abstract: Taking the Jiangxi Provincial Museum currently under construction as an example, performance-based seismic design theory and methods were combined to reasonably determine the structure′s seismic performance targets and the performance levels of the components under various seismic fortification intensities according to the importance of the building. PKPM, MIDAS and YJK software were used for elastic calculation analysis under frequent earthquakes, elastic and non-yield analysis under fortification earthquakes, and SAUSAGE software was used for elasto-plastic analysis under rare earthquakes. The elasto-plastic time-history analysis method was used to verify whether the elasto-plastic interlayer displacement angle and other indicators under rare earthquakes meet the requirements of the code, and the damage degree of the structure was analyzed to determine the weak parts of the structure(weak layers and weak components). According to the analysis results, seismic strengthening measures were proposed to ensure that the structure met the expected seismic performance targets under various seismic fortification intensities.
Keywords: out-of-code high-rise building; seismic performance design; elastic analysis; dynamic elastoplastic analysis
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