文体中心项目结构抗震专项浅析

摘要：单体建筑面积大于5万m2以上的公共建筑属于重要工程，进行重要工程勘察设计专家论证。以太原市某具体工程为例，进行整体性能化设计，结构平面布置属于一般不规则，通过采取合理的结构形式及构件布置，并对关键部位、薄弱部位采取有效的抗震加强措施，使结构具有良好的抗震性，通过对该结构进行详细的抗震性能分析，表明该结构满足既定的性能目标。

关键词：公共建筑；性能化设计；抗震加强措施；性能目标

1工程概况

本工程位于山西省太原市，地上5层，地下2层，建筑总高度22．300m，室内外高差0．3m，采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，抗震等级为剪力墙二级、框架三级，跨度大于18m框架及错层部位框架抗震等级二级。地下2层层高4．0m，地下1层层高5．4m（局部3．6m），地上1层层高5m，2层4．4m，3层～5层为4．2m，建筑鸟瞰图见图1。其中地下2层局部设有人防层。风荷载为0．4kN／m2，场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0．2g，设计地震分组为第二组。据《太原市重要工程勘察设计专家论证管理办法》，单体建筑面积大于5万m2以上的公共建筑属于重要工程，本工程建筑面积为7．9万m2，属于重要工程，应进行重要工程勘察设计专家论证，结构进行整体性能化设计［1］。本项目根据结构缝分为三个部分，分区示意图见图2，本文仅以A区进行分析。

2结构不规则判定及对应措施

2．1结构不规则情况分析

结构不规则情况分析见表1，由表1可知，该结构存在平面布置不规则中的两项不规则，属于一般不规则；但本工程属于公共建筑，周期比较大，进行整体性能化设计。

2．2针对性能化设计的计算分析及加强措施

2．2．1计算分析要求。1）采用两种结构软件，进行多遇地震作用分析，各项指标符合规范要求。2）时程分析法补充计算，选取5条天然波和2条人工波，各条波的分析结果满足《建筑抗震设计规范》［2］5．1．2要求。3）进行抗震性能化设计，选定合适的性能目标，进行中震、大震下计算分析，保证结构构件满足预设的性能目标。4）进行罕遇地震下的弹塑性分析，弹塑性层间位移比满足《建筑抗震设计规范》5．5．5要求。并初步判断结构的薄弱位置，保证结构达到大震不倒的设防目标。5）存在楼板开洞及楼板宽度小于典型楼板宽度的50％，补充楼板中震下应力分析，保证水平地震力的有效传递。2．2．2抗震设防性能目标。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》［3］3．11要求，整体结构抗震性能目标定为D级。结构各部位性能化设计的具体要求如表2所示。2．2．3性能化设计的加强措施。1）采用框架剪力墙结构，形成有效的抗侧力体系，承担地震作用产生的水平力；而连梁、框架梁作为耗能构件，在遭受强震时首先发生屈服，充分发挥塑性变形能力，有效耗散地震能量，从而减轻主体结构构件的损坏。2）合理布置剪力墙，保证结构水平整体刚度，使结构竖向不出现薄弱层、软弱层。3）大跨度框架梁柱采用型钢混凝土，框架抗震等级由三级提高为二级。4）错层处剪力墙抗震等级由二级提高到一级，剪力墙的配筋率不应小于0．5％；错层处框架抗震等级由三级提高为二级，且箍筋全高加密。5）加强关键部位框架柱、剪力墙配筋，在中震配筋率较大部位加设型钢，提高框架柱、剪力墙的抗剪、抗弯性能。6）加强开洞部位梁板连接，周围板厚取h＝150mm，采用双层双向配筋，保证水平地震力可有效传递。

3小震振型分解反应谱分析

3．1整体计算的模型

本工程采用YJK2．0．3和PMSAP软件进行多遇地震下弹性计算，采用振型分解反应谱法计算地震作用。结构的整体计算模型如图3所示。

3．2质量分析

两种软件计算的质量对比表如表3所示。两种软件计算的质量相近，误差控制在3％以内，表明结构计算模型是可靠的，计算结果可作为分析结构的依据。

3．3模态分析

扭转周期比及质量参与系数如表4所示。刚性板假定下，X向和Y向的质量参与系数均大于90％，第一周期和第二周期均为平动，第三周期为扭转，扭转周期比满足规范要求。两种软件分析的模态参数结果误差均在5％以内，分析结果吻合。

4小震弹性时程分析

根据《建筑抗震设计规范》4．3．4条和5．1．13条规定，应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。本项目采用YJK2．0．3软件进行弹性时程分析。七条时程波作用下各楼层平均剪力与反应谱分析的对比结果详见表5。根据《建筑抗震设计规范》5．1．2条，结构构件设计采用的地震作用效应取时程分析平均值与反应谱分析结果的包络值。

5中震等效弹性分析

依据设定的性能目标，对结构进行中震作用下等效弹性计算，复核各类结构构件是否满足既定的抗震性能目标。

5．1基底剪力和倾覆力矩

中震等效弹性方法所得基底剪力与多遇地震作用计算结果比较见表6。中震等效弹性计算的基底剪力和倾覆力矩约为小震的2倍～3倍，中震作用在合理范围之内。

5．2层间位移角利用YJK软件分析得到中震作用下各层层间位移角见表7，中震作用下层间位移角满足《抗规》条文说明附录M．1．3规范要求。5．3中震不屈服验算根据抗震性能目标，全部竖向构件均满足中震不屈服要求。

6大震等效弹性分析

按照设定的性能目标要求，需对结构在大震作用下的构件承载力进行复核，确定其达到该结构设定的构件性能目标。采用YJK进行结构的大震不屈服等效弹性计算。

6．1基底剪力与倾覆力矩

大震等效弹性方法所得基底剪力和倾覆力矩与多遇地震作用下的进行比较，结果表明，大震的基底剪力和倾覆力矩约为小震的4倍～5倍，大震作用在合理范围之内，见表8。

6．2层间位移角

大震作用下最大楼层层间位移角详见表9。结果表明，采用等效弹性方法初步验算结构的最大层间位移角均小于规范限值1／100，整体结构不会发生倒塌。

6．3大震不屈服验算

根据抗震性能目标，全部竖向构件均满足大震不屈服要求。

7大震动力弹塑性时程分析

7．1弹塑性基底剪力

基底剪力统计表见表10。由表10可知，大震弹塑性分析得到的基底剪力约为小震振型分解反应谱法计算结果的3倍～4倍，表明结构在大震作用下的塑性变形消耗了部分地震能量；另一方面也说明这三条时程波曲线输入的地震激励可以达到罕遇地震水平。

7．2弹塑性位移角

X向，Y向最大层间位移角汇总见表11。以上结果表明，最大层间位移角均小于规范限值1／100，满足“大震不倒”的抗震性能目标。

8结论及建议

1）小震作用下，YJK和PMSAP两种软件在结构总质量、周期等主要控制指标计算结果吻合较好，满足规范要求，可以作为工程设计的依据。2）小震弹性分析，七条地震波计算所得的结构底部剪力与振型分解反应谱法结果均满足《建筑抗震设计规范》5．1．2条的要求。3）中震弹性分析，中震作用下结构抗倾覆验算满足要求，对抗剪截面不足的个别框架柱通过埋设型钢，形成型钢混凝土柱，提高截面抗剪承载力，达到中震抗剪不屈服的性能目标。大部分剪力墙边缘构件配筋可满足正截面抗弯不屈要求，对不满足的增设型钢实现中震抗弯不屈的性能目标。4）大震等效弹性分析，结构整体抗倾覆验算满足要求，最大层间位移角均小于规范限值1／100。5）大震作用下结构弹塑性层间位移角小于规范限值1／100，大震作用下楼层位移均小于抗震缝宽度，抗震缝两侧的单体不会发生碰撞。大部分框架柱、剪力墙为轻微～轻度损伤；局部出现中度～重度损伤，部分钢筋屈服。通过增加墙体配筋率和增加型钢的措施，可有效改善该损伤情况，以满足大震作用下性能目标。

作者:王飞 单位:山西省建筑设计研究院有限公司