甲類構(gòu)筑物抗震設(shè)計實例及要點

黃 帆

(巴斯夫(中國)有限公司， 上海 200233)

甲類構(gòu)筑物抗震設(shè)計實例及要點

黃 帆

(巴斯夫(中國)有限公司， 上海 200233)

以某工業(yè)裝置為實例，重點闡述了甲類抗震設(shè)防構(gòu)筑物的抗震設(shè)計要點，說明了抗震設(shè)防標準的確定原則，參考相關(guān)規(guī)范要求進行了結(jié)構(gòu)分析與計算，研究驗證了結(jié)構(gòu)計算的結(jié)果，并從結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面進行了抗震設(shè)計。

甲類構(gòu)筑物； 抗震設(shè)計； 結(jié)構(gòu)計算； 構(gòu)造

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范標準中，對于民用建筑結(jié)構(gòu)，已經(jīng)有比較成熟的研究和較為詳細的規(guī)定，可供設(shè)計參照執(zhí)行；對于特殊結(jié)構(gòu)的工業(yè)建(構(gòu))筑物的抗震設(shè)計，現(xiàn)有規(guī)范標準較少涉及。本文以某實際工程為例，論述了甲類抗震設(shè)防的構(gòu)筑物的抗震設(shè)計的做法及要點。

1 工程概況

某工業(yè)項目，建設(shè)地點位于某沿海地區(qū)，根據(jù)《化學(xué)工業(yè)建(構(gòu))筑物抗震設(shè)防分類標準》(GB 50914)規(guī)定，其中某裝置的抗震設(shè)防類別為甲類，設(shè)計使用年限50年。按照工藝布置，該裝置構(gòu)筑物總高度32 m，平面尺寸15 m×30 m，共六層，層高為4～6 m不等。結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，采用樁筏整體基礎(chǔ)，外墻為框架+剪力墻筒體，內(nèi)部有部分框架，屋面采用鋼與混凝土組合樓板，其他樓層采用鋼格柵鋪板。樓層框架梁及主梁為鋼筋混凝土梁，次梁采用型鋼梁。項目所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計地震第一組，場地類別Ⅳ類，結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05。場地基本風(fēng)壓0.57 kN/m2，地面粗糙度A類。

2 抗震設(shè)防標準

2.1 地震作用

《化學(xué)工業(yè)建(構(gòu))筑物抗震設(shè)計分類標準》(GB 50914)要求，甲類建(構(gòu))筑物地震作用應(yīng)根據(jù)地震安全性評價結(jié)果確定，同時還要高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。

本項目的地震安全性評價報告所給出的工程場地設(shè)計地震動參數(shù)見表1和式(1)。

表1 《安評報告》不同超越概率水平地震影響系數(shù)

(1)

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011)中相應(yīng)烈度的水平地震影響系數(shù)最大值αmax見表2。

表2 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》水平地震影響系數(shù)最大值

依據(jù)地震安全性評價的結(jié)果，并按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，本構(gòu)筑物選擇7度(0.15g)作為抗震設(shè)防烈度，其在多遇地震和罕遇地震下的水平地震影響系數(shù)αmax為0.12和0.72，分別大于地震安全性評價報告中提供的最大值0.11和0.36。

2.2 抗震措施

按照《化學(xué)工業(yè)建(構(gòu))筑物抗震設(shè)計分類標準》(GB50914)的要求，甲類建(構(gòu))筑物應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求加強其抗震措施。本結(jié)構(gòu)設(shè)計比本地區(qū)7度(0.1g)提高一度，按照8度(0.2g)設(shè)防烈度確定抗震措施。

本結(jié)構(gòu)有部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，并考慮Ⅳ類場地的抗震不利影響，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)(以下簡稱(高規(guī)))，確定框架抗震等級為一級，抗震墻抗震等級為一級。

3 結(jié)構(gòu)分析及計算

3.1 結(jié)構(gòu)分析要點

由于工藝布置的要求，本結(jié)構(gòu)除2層的部分屋面和6層屋面采用混凝土樓板外，內(nèi)部其他樓層全部是在鋼梁上面鋪設(shè)鋼格柵板，樓層的平面剛度變化較大。3層有部分抗震墻不落地，支撐在2層框架梁上，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，屬于豎向不規(guī)則類型。

在結(jié)構(gòu)建模計算時，將鋼格柵板區(qū)域邊緣定義為彈性節(jié)點，采用彈性樓板假定，并選用總剛分析方法進行計算。采用空間結(jié)構(gòu)計算模型，對剛度小的樓層地震剪力乘以1.25的增大系數(shù)。對薄弱層進行罕遇地震下的彈塑性時程分析方法進行變形驗算。

鑒于本結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則，又屬于甲類抗震設(shè)防，同時采用了PKPM SATWE和Madis Gen兩種不同的結(jié)構(gòu)分析軟件進行抗震分析計算，并對結(jié)果進行了比較。另外，還采用時程分析法進行了多遇地震下的補充分析。

3.2 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

3.2.1 多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法SATWE計算

計算結(jié)果見表3～表5。

表3 振型與周期

表4 剛度比、樓層抗剪、剪重比、剛重比等性能指標

表5 考慮偶然偏心的位移計算結(jié)果

由計算結(jié)果看出，1層的最小剛度比小于0.9，另外，2層為轉(zhuǎn)換層，3層的側(cè)向剛度也小于上一層的70%(或上三層平均值的80%)，都屬于結(jié)構(gòu)薄弱層，可知本結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則。按照規(guī)范要求，1～3層地震剪力乘以放大系數(shù)1.25。同時，控制框架柱及框支柱的軸壓比，以提高延性，并適當(dāng)提高配筋率，增加框架柱和框支柱抗震承載力。

轉(zhuǎn)換層剛度與上一層剛度相比稍偏大，為避免上一層形成相對薄弱層，設(shè)計中注意控制該層豎向構(gòu)件軸壓比，并適當(dāng)提高墻和柱的配筋率，增強該層抗震性能。

樓層的最大層間位移角小于規(guī)范限值的40%。依據(jù)規(guī)范，該層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值不應(yīng)大于1.6，計算滿足要求。為限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，通過與上游專業(yè)溝通，對重型設(shè)備進行合理布置，以減小質(zhì)量偏心，并調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，盡量使剛心質(zhì)心重合。

3.2.2 多遇地震下彈性時程補充計算

采用SATWE對結(jié)構(gòu)進行了多遇地震下的彈性時程分析。分別采用3條地震波進行計：天然波TH2TG090、天然波TH4TG090和實測波SHM2-4。主方向最大峰值加速度35 cm/s2,時間步長為0.02 s，放大系數(shù)為1。地震作用取時程法計算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值(圖1)。

圖1 時程曲線平均地震影響系數(shù)與規(guī)范地震影響系數(shù)曲線對比

地震波最大層間位移角基底剪力基底剪力與反應(yīng)譜法結(jié)果比值,規(guī)范要求TH2TG0901/1399(1層)4777.4/kN0.90TH4TG0901/1053(1層)3468.9/kN0.65SHM2-41/895(1層)6508.0/kN1.22《高規(guī)》4.3.5條,≮0.65,平均值≮0.8,滿足

由表6可知，SHM2-4波彈性時程分析的層間位移角和基底反力均大于規(guī)范反應(yīng)譜法的計算結(jié)果，時程分析結(jié)果在彈性階段對結(jié)構(gòu)起控制作用。

3.2.3 PKPM和Midas多遇地震作用下計算比較

鑒于本結(jié)構(gòu)的特殊性，設(shè)計時另采用Midas軟件進行了建模計算。與PKPM計算結(jié)果相比，顯示差異不大，驗證了本次結(jié)構(gòu)計算的有效性與可靠性，其中周期及位移對比見表7。

表7 PKPM、Midas軟件多遇地震計算結(jié)果比較

3.2.4 罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形驗算

表8 薄弱層彈塑性位移

由表8計算可知，在兩個方向的彈塑性層間位移角都遠小于規(guī)范的限值，說明結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，在大震作用下薄弱層不會發(fā)生過大的變形引起整體破壞。

4 構(gòu)造設(shè)計要點

4.1 鋼梁與混凝土主梁的連接構(gòu)造設(shè)計

樓層采用鋼格柵板+鋼結(jié)構(gòu)次梁+混凝土主梁的承重形式。本結(jié)構(gòu)樓面荷載較重，鋼梁截面較大，其與混凝土主梁的連接做法需要滿足承載力和抗震性能的要求,具體做法如圖2。

連接做法平面

1-1

2-2

鋼梁與混凝土主梁的這種連接，荷載是由混凝土主梁梁側(cè)的配筋挑耳承擔(dān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時根據(jù)計算配置箍筋和抗沖切鋼筋配筋，保證挑耳有足夠的抗沖切能力和局部抗壓承載力。鋼梁與挑耳的鉸接搭接，以及腹板與預(yù)埋件的螺栓連接，在地震情況下有足夠的延性和耗能能力，抗震性能較好。

4.2 轉(zhuǎn)換層抗震構(gòu)造設(shè)計

轉(zhuǎn)換梁箍筋加密范圍為柱邊1.5倍梁高長度內(nèi)，增大轉(zhuǎn)換梁的箍筋和縱向鋼筋的配筋率，并沿梁腹板高度配置受力腰筋。轉(zhuǎn)換柱采用井字復(fù)合箍筋，全高加密，增大箍筋體積配箍率和縱向鋼筋配筋率。2層轉(zhuǎn)換層部分屋面板厚采用250 mm厚，雙層雙向配筋，配筋率0.6%以上。

4.3 基礎(chǔ)抗震設(shè)計

本場地類別為IV類，抗震較為不利。為減少不均勻沉降對結(jié)構(gòu)的不利影響，采用了整體樁筏基礎(chǔ)，底板厚度1 500 mm，選用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。

5 結(jié)束語

特定結(jié)構(gòu)形式的甲類抗震設(shè)防的構(gòu)筑物設(shè)計在實際工程中比較少見，尚沒有明確的具體標準可供遵照執(zhí)行。本文根據(jù)實際構(gòu)筑物的形式特點，參考高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，從抗震標準、結(jié)構(gòu)計算及構(gòu)造設(shè)計等方面，實例論述了抗震設(shè)計的方法及要點，可供類似結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計參考。

[1] GB 50914-2013 化學(xué)工業(yè)建(構(gòu))筑物抗震設(shè)防分類標準[S].

[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] 黃帆.鋼梁與混凝土梁連接節(jié)點設(shè)計探討[J]. 山西建筑，2015(21): 26-27.

黃帆(1979～)，男，碩士，工程師，從事土建結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工工作。

TU352.11

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[定稿日期]2015-07-10