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多层建筑超限设计的结构抗震措施和计算分析

来源:原创论文网 添加时间:2021-09-30

  摘    要: 结合1号康养酒店工程实例,对多层建筑的超限设计进行了系统的介绍,对建筑设计进行不规则分析、对设计中薄弱环节采取结构抗震加强措施、对超限结构进行补充计算及分析论证,为今后类似工程设计提供了解决的方法。

  关键词:     不规则;抗震加强;多层超限结构设计;

  Abstract: Combined with design of No.1 Health Care Hotel,the transfinite design of multi-storey buildings is systematically introduced,and the irregularity of the buildings is analyzed,and structural seismic strengthening measures for the weak links in the design are taken,and supplementary calculation and analysis and demonstration for the transfinite structure is carried out,so as to provide reference for solving practical problems of similar projects in the future.

  Keyword: irregularity; seismic strengthening; design of multi-storey transfinite structure;

  随着国民生产总值的提高,人们对生活的追求也逐步提高,建筑设计也追求功能全面、造型新颖别致。建筑造型多样,往往建筑本身结构就不规则,如平面凸凹不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续等。针对多层建筑,含有3条或3条以上不规则高层建筑需要进行专项抗震审查,对超过规范限制的建筑需要进行抗震专项论证。以1号康养酒店为例,浅析多层建筑超限设计应注意的问题。

  1、 工程概况

  拟建盈浦城中村俞家埭1组、2组、3组养老院及商业项目场地位于青浦区,青赵公路以南、大盈港以西、卢湾港以北地块内。1号康养酒店为地下1层,地上5层框架结构,其西面带2层商业裙房,主楼建筑为康养公寓,整体结构平面为L形。建筑平面及剖面如图1所示。

  1号康养酒店抗震设防烈度7度,抗震设防类别为标准设防类(丙类),设计基本地震加速度0.10 g,场地类别为Ⅲ类,多遇地震下场地特征周期为0.65 s,混凝土框架抗震等级为三级。

  基础采用桩+承台+筏板形式。桩采用PHC 500 AB 125型预应力管桩,桩端持力层为7-1层砂质粉土,拟建场地经判别不需考虑地震液化影响,建筑物最大沉降量小于50 mm。
 

多层建筑超限设计的结构抗震措施和计算分析
 

  2 、不规则分析

  1号康养酒店位移比大于1.2,属于平面不规则中扭转不规则;凸出部分占相应投影方向的总尺寸比值为(16.8/38.6)=43.5%(>30%),凸出部分长度比值为(7/16.8)×100%=41.7%(<50%),属于平面不规则中凹凸不规则;层二门厅顶板楼面标高5.900 m,比二层楼面4.500 m标高高出1.4 m,存在较大错层,属于平面不规则中的楼板局部不连续;层三立面收进大于25%,属于竖向不规则中侧向刚度不规则;屋面构架局部梁抬柱,属于竖向不规则中竖向抗侧力构件不连续。根据GB50011—2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》第3.4.3条、沪建管[2015]958号文第13条规定,应对1号康养酒店进行多层特别不规则抗震设防专项研究和论证。

  3、 设计中结构抗震加强措施

  本工程为平面与竖向不规则的超限建筑结构,为此将从结构计算分析、抗震加强措施等方面采取对策和措施,以确保该工程安全、可靠、经济。

  3.1、 计算分析

  使用空间有限元分析程序SATWE进行结构整体分析,采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算地震作用。

  使用SATWE进行弹性时程补充计算,选取2条人工波和5条天然波下的结构响应,以了解结构在地震时程下的响应过程。将时程分析结果的平均值与反应谱计算结果进行对比,以便在反应谱计算结果的基础上进行针对性的加强设计。用PMSAP进行楼板有限元应力分析和计算,控制多遇地震下板内主拉应力,使其小于混凝土抗拉强度标准值(小震不开裂),设防地震下,钢筋拉应力小于钢筋屈服强度标准值(中震不屈服)。

  由于平面规则性超限对于楼板的整体性有较大的影响,楼板在自身平面内的刚度无限大的假定不再适用。因此,应在计算模型中考虑弹性模假定,严格按规范要求控制结构的刚度比和抗剪承载力的比值。严格按规范要求控制框架柱的轴压比,按现行规范考虑结构的扭转效应,使结构扭转周期与平动周期的比值小于0.9。

  3.2、 抗震加强措施

  3.2.1、 针对扭转不规则采取的措施

  在不影响建筑布置的前提下,适当调整梁柱截面,尤其转角处的柱,以加强楼层的抗扭刚度;同时计算时考虑双向地震对结构的影响。

  3.2.2、 针对楼板局部不连续楼层的加强措施

  对洞口周边的楼板布设双层双向配筋、控制最小配筋率不小于0.25%,使其在多遇地震作用下混凝土主拉应力不大于抗拉强度标准值,并按中震不屈服复核楼板配筋。

  3.2.3、 针对错层及立面收进采取的措施

  控制错层处框架柱截面尺寸不小于600 mm,框架柱箍筋全高加密间距不应大于100 mm;使错层及立面收进部位框架柱抗震等级提高一级。在设防烈度地震作用下,错层处框架柱的截面承载力按中震不屈服设计。

  3.2.4、 单跨框架的技术处理

  抗震类别为丙类的建筑物,抗震等级应提高一级;对抗震类别为乙类的建筑物,适当加强和提高竖向构件的配筋率。

  4 、超限结构设计的计算及分析论证

  4.1 、上部结构主要计算成果汇总和分析

  计算采用SATWE计算程序。结构计算分析时输入的地震动参数以及其他计算参数按规范要求见表1。多遇地震影响系数取0.08,分析采用的振型数为18个,使建筑物质量的参与度超过90%;每一振型的峰值反应均采用CQC方法组合。计算结果均满足设计要求。

  图1 1号楼立面示意
图1 1号楼立面示意

  表1 1号楼抗震分析的主要计算结果汇总
表1 1号楼抗震分析的主要计算结果汇总

  4.2、 多遇地震作用下的弹性时程分析

  4.2.1、 地震波及编号

  本工程将PKPM进行多遇地震作用下的弹性时程的分析作为多遇地震反应谱计算的补充。分析选用5条天然波和2条人工波,其名称和编号见表2。

  表2 多遇地震下弹性时程分析的地震波及编号
表2 多遇地震下弹性时程分析的地震波及编号

  天然波和人工波加速度时程曲线的有效时长均满足不小于建筑结构基本周期的5~10倍且不小于15 s。地震波采用双向输入,主方向、次方向的峰值加速度按照1∶0.85的比例调整,加速度峰值取为35 cm/s2。

  4.2.2、 基底剪力

  根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》附条文说明(2016年版)5.1.2条第3款,有关时程分析的要求,当取3组时程曲线进行计算时,结构地震作用效应宜取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。当取7组及以上时程曲线进行计算时,结构地震作用效应可取时程法计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

  4.2.3 、楼层位移和层间位移角

  通过计算结果得知,7条时程曲线经弹性时程分析计算所得的楼层平均层间位移角,x方向为1/981;y方向为1/1 008,均小于规范要求的1/550,满足规范要求。

  4.2.4、 弹性时程分析得出以下结论

  (1)每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%且不大于135%,7条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%且不大于120%,因此选用的地震波满足规范的相关要求。

  (2)7条时程曲线计算所得的x向、y向平均层间位移及平均层间位移角均小于振型分解反映普法的计算结果,满足规范要求。

  (3)地震作用下的楼层剪力无明显突变,均可满足规范要求,未显示明显的结构薄弱层。

  (4)弹性时程分析的楼层剪力平均值结果均小于反应谱结果,故楼层地震剪力不必放大。

  综上所述,判断本结构体系可行。

  4.3、 楼板应力分析

  4.3.1、 性能设计目标

  普通楼面、屋面板应力分析:小震不开裂(混凝土楼板主拉应力小于混凝土抗拉强度标准值);中震不屈服(钢筋拉应力小于钢筋屈服强度标准值)。

  4.3.2 、多遇地震楼板应力分析

  应用PMSAP程序全楼弹性模进行楼板应力分析。

  数据分析:多遇地震及设防烈度地震下,楼板面内最大主拉应力出现在二、三层楼面的角部,由楼板最大主拉应力定性判断楼板裂缝开展情况。并根据应力云图判断需要采取加强措施的薄弱部位。从多遇地震主拉应力图可知,小震作用下楼板的主拉应力最大值为0.825 Mpa均小于混凝土强度标准值2.01 Mpa。

  在水平荷载作用下,弯曲正应力与轴向正应力同时存在,此时楼板的配筋为弯曲正应力配筋结果与轴向正应力配筋结果之和。

  中震抗拉钢筋不屈服验算,控制抗拉钢筋不屈服。荷载组合为:

  由设防烈度地震作用下应力图可知,设防烈度作用下,二层荷载组合下最大应力为1 097 k N/㎡;三层荷载组合下最大应力为1 672 k N/㎡。

  轴力配筋应满足:

  弯矩引起的受拉侧的配筋:

  单侧楼板实际配筋应满足:

  式中:SGE为重力荷载代表值的效应;S*Ehk为水平地震作用标准值的构件内力;Rk为截面承载力标准值,按材料强度标准值计算;N为结构构件的轴向力设计值;M为结构构件的弯矩设计值;fy为钢筋的抗拉强度设计值。

  经计算楼板应力最大区域单侧楼板配筋面积As=(1.672×150×1000)/(2×360)+(4.5×106)/(0.9×360×130)=348.3+106.8=455.10(mm2/m)。150 mm 10@150

  此区域楼板采用150 mm厚,配筋10@150双层双向。其他区域配筋10@200双层双向。满足中震不屈服要求。

  对这些薄弱部位(应力较大区域)的楼板,根据应力云图定性判断,按计算配筋结果进行双层双向配筋加强后,楼板均能满足多遇地震作用下弹性,设防烈度地震作用下抗弯不屈服。

  5 、结束语

  以具体工程设计为例,依据现行结构设计规范,阐明了多层超限建筑结构设计中需要注意的一些设计要点,重点介绍了不规则建筑的补充计算及加强措施,对建筑的薄弱部位进行加强处理,使结构在满足规范要求的前提下,达到安全、经济的效果,为今后类似工程提供一定的借鉴。

  参考文献

  [1]建筑抗震设计规范: GB 50011- -2010(2016年版)[S].
  [2]建筑地基基础设计规范: GB 50007- 2011[S].
  [3]混凝土结构设计规范: GB 50010- -2010[S].

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