河南省科技館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

卓杰

摘 要：本工程存在著平面凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、局部錯層、穿層柱、斜柱及夾層超限等多項(xiàng)不規(guī)則的情況，屬特別不規(guī)則的超限高層結(jié)構(gòu)。本工程采用兩種軟件盈建科及MIDAS進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)方面的計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞：超限高層結(jié)構(gòu)；彈塑性時程分析

1 工程概況

本項(xiàng)目擬建地點(diǎn)位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)， 河南省科技館建筑高度43.0米，總建筑面積約10.5萬平米。項(xiàng)目效果圖如圖1。

河南省科技館主體結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋（鋼骨）混凝土框架—剪力墻形式。建筑抗震設(shè)防類別為乙類，剪力墻及連梁一級，框架二級、鋼框架三級。

2 結(jié)構(gòu)超限情況介紹

參考《超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南》[1]，對各塔樓進(jìn)行了超限情況分析：

（1）本建筑呈Y字形平面布局，平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長30%。

（2）本建筑部分樓層考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2。

（3）本建筑局部樓層樓板有效寬度小于50%；且存在錯層。

（4）本建筑存在局部的穿層柱、斜柱以及局部夾層。

因此主體結(jié)構(gòu)屬于特別不規(guī)則的超限高層。

3 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1計(jì)算軟件及參數(shù)設(shè)置

本工程在設(shè)計(jì)中參考了《高層建筑結(jié)構(gòu)》[2]，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時采用北京盈建科軟件股份有限公司編制的YJK（1.8.2.0版本）軟件和MIDAS GEN（V855版本）這二個空間結(jié)構(gòu)分析程序，并對結(jié)構(gòu)靜力等方面計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算參數(shù)如下：

（1）場地設(shè)計(jì)特征周期0.40s；

（2）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比：0.05；

（3）抗震設(shè)防列度為：7度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.1g；

（4）多遇地震水平影響系數(shù)最大值：0.08；

（5）基本風(fēng)壓按50年一遇的 的1.1倍標(biāo)準(zhǔn)取值（按0.50kN/m2），地面粗糙度B類；

（6）地震力均采用藕聯(lián)分析；

（7）考慮雙向地震作用與偶然偏心。

3.2結(jié)構(gòu)體系和布置

抗側(cè)力體系如圖2。

3.3結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算分析

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，總結(jié)的多遇地震下計(jì)算結(jié)果如下：

（1）結(jié)構(gòu)動力特性：

計(jì)算得到的前3階模態(tài)的振動周期結(jié)果如下：T1=1.1302S，T2=1.0560S，T3=0.9789S。

（2）基底剪力：

計(jì)算得到的基底剪力如下：X=46363kN，Y=44935kN。

（3）層間位移角：

樓層層間位移角X=1/1990，Y=1/1636。

由以上計(jì)算結(jié)果可得彈性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.4結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析計(jì)算分析

本工程宜選取C等級作為抗震性能設(shè)計(jì)的目標(biāo)。采用彈塑性靜力推覆分析法（Push-Over）對本結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平荷載作用下的彈塑性計(jì)算。

按規(guī)范要求的“大震不倒”抗震設(shè)防目標(biāo)，采用PUSH程序?qū)ㄖ诤庇龅卣鹱饔孟逻M(jìn)行靜力彈塑性推覆分析，共進(jìn)行X+向、X-向、Y+向、Y-向四個方向的推覆驗(yàn)算。

靜力推覆分兩步進(jìn)行加載，第一步為施加重力荷載代表值，并在后續(xù)施加水平荷載過程中考慮其影響，即計(jì)算中考慮了P-Δ效應(yīng)；第二步為逐步施加豎向分布模式為按該方向主振型模態(tài)分布的水平荷載，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到終止條件為止。

從推覆結(jié)果看：在罕遇地震作用下（水平地震影響系數(shù)最大值取0.50），性能點(diǎn)處各層彈塑性位移角最大值小于規(guī)范限值1/100，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]第4.6.5條的規(guī)定，建筑物可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

從靜力彈塑性計(jì)算結(jié)果可以看出，在大震下較多框架梁端出現(xiàn)塑性鉸，少量剪力墻及框架柱出現(xiàn)塑性角。整體結(jié)構(gòu)基本合理，塑性鉸主要出現(xiàn)在框架梁及連梁等耗能構(gòu)件上，同時，框架柱出鉸較少，能滿足大震下二道防線的作用。對于出現(xiàn)出鉸情況的剪力墻，擬采用對其配置型鋼鋼骨及增加其配筋等措施對其進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.5結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析計(jì)算分析

為進(jìn)一步考察建筑在罕遇地震作用下的內(nèi)力、變形及損傷情況，采用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震下的彈塑性時程分析。

七條地震波的層間位移角的最大值如圖3圖4所示。

（1）從整體指標(biāo)來看，結(jié)構(gòu)在七組地震波作用下，沿X、Y向的各層彈塑性位移角最大值分別為1/126、1/120，滿足規(guī)范對框-剪結(jié)構(gòu)彈塑性位移角限值（1/100）的的規(guī)定。

（2）從構(gòu)件層面來看，框架柱基本上保持大震下不屈服狀態(tài)；剪力墻基本處于輕度～中度破壞等級之間。

4 結(jié)論

（1）整體結(jié)構(gòu)以YJK程序分析為主，輔以MIDAS進(jìn)行對比分析。兩個程序的計(jì)算結(jié)果在總體上基本保持規(guī)律一致。

（2）通過結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算分析可得彈性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（3）通過結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析可得在罕遇地震作用下，性能點(diǎn)處各層彈塑性位移角最大值小于規(guī)范限值1/100。

（4）通過結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析可得，結(jié)構(gòu)在七組地震波作用下，沿X、Y向的各層彈塑性位移角最大值分別為1/126、1/120，滿足規(guī)范的規(guī)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.

[2]呂西林.高層建筑結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

[3] GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].