河南省科技館結構設計與分析

卓杰

摘 要：本工程存在著平面凹凸不規則、扭轉不規則、樓板不連續、局部錯層、穿層柱、斜柱及夾層超限等多項不規則的情況，屬特別不規則的超限高層結構。本工程采用兩種軟件盈建科及MIDAS進行抗震性能設計方面的計算分析。

關鍵詞：超限高層結構；彈塑性時程分析

1 工程概況

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

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

2 結構超限情況介紹

參考《超限高層建筑工程抗震設計指南》[1]，對各塔樓進行了超限情況分析：

（1）本建筑呈Y字形平面布局，平面凹凸尺寸大于相應邊長30%。

（2）本建筑部分樓層考慮偶然偏心的扭轉位移比大于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。

因此主體結構屬于特別不規則的超限高層。

3 上部結構計算分析

3.1計算軟件及參數設置

本工程在設計中參考了《高層建筑結構》[2]，結構整體計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）這二個空間結構分析程序，并對結構靜力等方面計算結果進行了總結。

結構的主要計算參數如下：

（1）場地設計特征周期0.40s；

（2）鋼筋混凝土結構的阻尼比：0.05；

（3）抗震設防列度為：7度，設計地震分組為第二組，設計基本加速度值為0.1g；

（4）多遇地震水平影響系數最大值：0.08；

（5）基本風壓按50年一遇的 的1.1倍標準取值（按0.50kN/m2），地面粗糙度B類；

（6）地震力均采用藕聯分析；

（7）考慮雙向地震作用與偶然偏心。

3.2結構體系和布置

抗側力體系如圖2。

3.3結構彈性計算分析

依據《建筑結構荷載規范》[3]、《高層建筑混凝土結構技術規程》[4]、《混凝土結構設計規范》[5]、《建筑抗震設計規范》[6]，總結的多遇地震下計算結果如下：

（1）結構動力特性：

計算得到的前3階模態的振動周期結果如下：T1=1.1302S，T2=1.0560S，T3=0.9789S。

（2）基底剪力：

計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。

由以上計算結果可得彈性狀態下結構各指標均滿足規范要求。

3.4結構靜力彈塑性分析計算分析

本工程宜選取C等級作為抗震性能設計的目標。采用彈塑性靜力推覆分析法（Push-Over）對本結構進行水平荷載作用下的彈塑性計算。

按規范要求的“大震不倒”抗震設防目標，采用PUSH程序對建筑在罕遇地震作用下進行靜力彈塑性推覆分析，共進行X+向、X-向、Y+向、Y-向四個方向的推覆驗算。

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

從推覆結果看：在罕遇地震作用下（水平地震影響系數最大值取0.50），性能點處各層彈塑性位移角最大值小于規范限值1/100，符合《高層建筑混凝土結構技術規程》[4]第4.6.5條的規定，建筑物可實現“大震不倒”的抗震設防目標。

從靜力彈塑性計算結果可以看出，在大震下較多框架梁端出現塑性鉸，少量剪力墻及框架柱出現塑性角。整體結構基本合理，塑性鉸主要出現在框架梁及連梁等耗能構件上，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一步加強。

3.5結構動力彈塑性分析計算分析

為進一步考察建筑在罕遇地震作用下的內力、變形及損傷情況，采用YJK軟件對結構進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）從整體指標來看，結構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，滿足規范對框-剪結構彈塑性位移角限值（1/100）的的規定。

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

4 結論

（1）整體結構以YJK程序分析為主，輔以MIDAS進行對比分析。兩個程序的計算結果在總體上基本保持規律一致。

（2）通過結構彈性計算分析可得彈性狀態下結構各指標均滿足規范要求。

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

（4）通過結構動力彈塑性分析可得，結構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，滿足規范的規定。

參考文獻：

[1]呂西林.超限高層建筑工程抗震設計指南[M].上海：同濟大學出版社，2009.

[2]呂西林.高層建筑結構[M].武漢：武漢理工大學出版社，2003.

[3] GB50009-2012建筑結構荷載規范[S].

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[5] GB50010-2010混凝土結構設計規范[S].

[6] GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].