高少波, 蔣克軍, 張德成, 盧　挺

(1. 南充市政府投資非經(jīng)營性項目代建中心, 四川南充 637000;2. 中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610000)

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多遇地震下基于PMSAP和MIDAS計算對比對某大型綜合性公共建筑進行結(jié)構(gòu)分析

高少波1, 蔣克軍1, 張德成1, 盧挺2

(1. 南充市政府投資非經(jīng)營性項目代建中心, 四川南充 637000;2. 中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610000)

某項目地下一層地上四層(不含夾層)，結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土筒體—鋼桁架—混凝土框架的混合結(jié)構(gòu)。文章通過在多遇地震下基于PMSAP和MIDAS軟件的對比計算分析并采取加強措施等，為項目設(shè)計提供充分的依據(jù)。

混合結(jié)構(gòu)；計算分析；加強措施；抗震

1　工程概況

項目位于四川省南充市，該建筑地上四層，地下一層，總面積為18 800 m2，建筑平面近似正方形，底部投影尺寸為114 m×107 m，建筑高度31.2 m，總建筑面積約4.7×104m2。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1地基基礎(chǔ)設(shè)計

本工程場地及其附近無斷裂通過，巖層平緩，屬構(gòu)造穩(wěn)定地塊。現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查表明，場地地形開闊、略有起伏；2008年5月12日汶川發(fā)生8級地震，對南充市無重大影響。根據(jù)場地工程地質(zhì)條件，場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其他不良地質(zhì)作用，地基土穩(wěn)定，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較穩(wěn)定，適宜建筑。

基礎(chǔ)采用筏板、鋼筋混凝土獨立及條形混合基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，基底位于基巖部位。其中筒體部分為筏板基礎(chǔ)，厚度為1.5 m；框架部分為柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)高度0.8～1.2 m，當(dāng)基底埋置深度較大時，采用鉆孔灌注樁，高度為0.8～1.8 m；地下室側(cè)墻部分為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。

2.2結(jié)構(gòu)體系

本工程采用鋼筋混凝土筒體—鋼桁架—混凝土框架的混合結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)主要由四個12.5 m×13.0 m的混凝土筒體組成，筒體范圍的投影尺寸為65.7 m×65.7 m，混凝土筒體之間采用鋼桁架連接，鋼桁架高度7.5～9.1 m，凈跨約40 m，外挑15～18 m，四層中間設(shè)置局部設(shè)備夾層。塔樓高寬比0.47<限值[7.0]，平面長寬比1.00<限值[6.0](圖1)。

圖1　結(jié)構(gòu)模型三維

筒體結(jié)構(gòu)的墻厚從下到上統(tǒng)一，均為外墻厚700 mm，內(nèi)墻厚300 mm；框架柱從下到上統(tǒng)一，截面尺寸有800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm三種類型；第一、二、三層樓面框架梁典型尺寸為500 mm×800 mm、500 mm×900 mm；鋼桁架上下弦桿分別為□900×400×70×70×70、□1 100×400×70×70×70；腹桿類型有□600×400×60×60×60、□800×400×50×50×50、□400×400×25×25×25三種。鋼筋混凝土樓板厚160 mm(一層)、120 mm(二、三層)，鋼結(jié)構(gòu)部分采用鋼筋桁架樓承板，板厚142 mm(鋼筋桁架高度為100 mm)。

2.3結(jié)構(gòu)計算及分析

2.3.1計算程序

按照JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，采用PMSAP和Midas-Building兩種軟件進行了多遇地震作用下反應(yīng)譜法(CQC法)分析。采用剛性樓板假設(shè)，采用PMSAP進行了彈性時程分析的補充驗算。其中PMSAP程序的計算模型采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐構(gòu)件，采用在殼單元基礎(chǔ)上形成的墻元模擬剪力墻。

2.3.2設(shè)計主要參數(shù)及材料

根據(jù)《四川省建設(shè)工程抗御地震災(zāi)害管理方法》，非抗震設(shè)防區(qū)內(nèi)的重要公共建筑的設(shè)防工程按抗震設(shè)防烈度6度進行設(shè)防。故本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)，抗震設(shè)防烈度小于6度(提高至6度)，基本地震加速度0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類，基本風(fēng)壓值(100年)0.35 kN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)取為1.3，地面粗糙度B類，抗震等級分別為混凝土筒體二級，鋼桁架三級，混凝土框架三級。位移角的控制標準為1/800(多遇地震)。

主要結(jié)構(gòu)材料有混凝土C30，鋼筋HPB300、HRB400，型鋼Q235、Q345B、Q390B、Q420B。

選取的地震波見圖2～圖5。

圖2　天然地震波N1

圖3　天然地震波N2

圖4　人工地震波R1

圖5　選定地震波的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜比較

2.3.3計算結(jié)果

取基礎(chǔ)頂面為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，考慮偶然偏心和雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，計算結(jié)果見表1。

2.3.4計算結(jié)果分析

(1)從表1可以看出，PMSAP和Midas-Building兩種軟件的彈性反應(yīng)譜法(CQC法)分析結(jié)果基本一致，均滿足規(guī)范要求。

(2)從結(jié)構(gòu)的整體性來看，本項目主要抗側(cè)力構(gòu)件為四個巨型混凝土筒體，豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)，屋蓋為大跨鋼桁架屋蓋，屋蓋較為完整，可認為平面及豎向均規(guī)則，故剛度比、受剪承載力比均未列出。

(3)同時，采用彈性時程分析法進行補充驗算，由時程分析結(jié)果可知，樓層剪力、樓層位移、傾覆力矩、層間位移角等均小于CQC的值，結(jié)果分析見圖6。

(4)底層墻、柱軸壓比最大值接近于限值，施工圖設(shè)計時根據(jù)情況適當(dāng)加大柱子的含鋼率和墻體厚度。

2.3.5結(jié)構(gòu)超限判別

本項目結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土筒體—鋼桁架—混凝土框架組成的混合結(jié)構(gòu)，屬于特殊結(jié)構(gòu)類型；大屋面筒體間樓面開洞寬度大于總寬度的一半，超過規(guī)范要求的有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50 %，所以平面不規(guī)則；樓層最大層間位移比個別大于層間位移平均值的1.2倍，但不大于1.4倍，因此平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；本項目屬大型博覽類建筑，下部樓層的概念不明確，結(jié)構(gòu)樓層關(guān)系復(fù)雜，不同于一般的規(guī)則結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)的整體性來看，本項目主要抗側(cè)力構(gòu)件為四個巨型混凝土筒體，豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)，屋蓋為大跨鋼桁架屋蓋，主要結(jié)構(gòu)骨架可以看做為單層的巨型結(jié)構(gòu)，因此可認為平面及豎向均規(guī)則。

表1　采用振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)進行結(jié)構(gòu)計算分析主要結(jié)果指標對比

2.3.6采取的加強措施

(1)混凝土筒體剪力墻軸壓比全高控制小于0.45，混凝土筒體四角沿全高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件、設(shè)置型鋼。

(2)針對桁架上弦桿拉力作用導(dǎo)致筒體產(chǎn)生豎向裂縫，適當(dāng)增大筒體內(nèi)部桁架上弦型鋼截面，同時加強水平鋼筋及屋面樓板配筋，降低型鋼及鋼筋的應(yīng)力，從而控制裂縫寬度小于0.3 mm。

(3)嚴格控制柱子軸壓比，并采用復(fù)合箍的配置形式，對于剪跨比小于1.5的柱采用比規(guī)范更高要求提高體積配箍率，且箍筋全高加密。

(4)主鋼桁架應(yīng)進一步考慮中震不屈服設(shè)計，同時考慮豎向地震作用對大跨及大懸挑鋼桁架的影響。

(5)在混凝土筒體內(nèi)宜設(shè)置連續(xù)的鋼桁架弦桿與腹桿，緩解節(jié)點區(qū)域的應(yīng)力集中，增強鋼桁架與筒體的整體連接性。

(6)計算分析中，考慮樓板開洞及不連續(xù)對結(jié)構(gòu)影響。

3　結(jié)束語

在多遇地震作用下，針對項目的復(fù)雜性，采取了多項有針對性的加強措施，使得薄弱部位得到加強；性能化目標以及抗震等級的提高，也增強了結(jié)構(gòu)的抗震性能。采用PMSAP軟件和Midas-Building軟件得到的計算結(jié)果較為吻合，周期比、剪重比、層間位移角、軸壓比等基本滿足規(guī)范限值要求，設(shè)計效果較好。

[1]中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司.南充市博物館建設(shè)項目超限高層抗震專項審查報告[R].2014.

[2]GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]北京邁達斯技術(shù)有限公司.midas Building從入門到精通[Z].2011.

TU352.1

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[定稿日期]2016-02-26