上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200236
摘要；为满足工程外观要求，该工程的多层框架结构具有多项不规则，属于抗震超限。通过使用YJK和MIDAS软件对该结构进行弹性和弹塑性分析，从而对结构部分区域进行加强和调整，以确保该结构满足建筑抗震设计规范。
关键词：抗震结构分析，YJK，MIDAS，弹塑性分析。
1．工程概括
本工程为魔幻西欧区多媒体跳楼机，隶属于江苏省句容市恒大童世界文化旅游项目，占地面积约3177平方米，功能为轨道类乐园建筑，建筑面积约9335平方米，建筑高度为23m（局部机房高度为46.5m），地上四层，无地下室。主体结构采用框架结构，基础采用桩基+承台形式，基础埋深取为2.8m，结构嵌固端取至承台顶面标高。
2．结构设计基本参数和条件
2.1风荷载：
基本风压：W0=0.40kN/m2(n=50)
W0=0.30kN/m2(n=10)
地面粗糙度类别：B类
风载体型系数：1.3
风荷载效应放大系数：1.1
2.2雪荷载：
基本雪压： So=0.35kN/m2 (n=50)
2.3结构设计主要参数
(1)建筑结构的安全等级：二级；
(2)设计使用年限：50年；
(3)建筑抗震设防类别：丙类；
(4)地基基础设计等级：乙级；
(5)场地地震基本烈度：7度；
(6)抗震设防烈度：7度；设计地震分组为第一组；设计基本地震加速度：0.10g；多遇地震水平地震影响系数最大值：0.08
(7)建筑场地类别：II类场地特征周期：0.35s；
(8)抗震等级：
房屋高度23.000m。框架抗震等级：二级。
(9)结构阻尼比： 0.05；
2.4设计恒活荷载
2.4.1恒载：
（1） 结构构件(梁、板、柱、剪力墙)自重，考虑面层重量混凝土容重按照28kN/m3、钢构件容重按照78 kN/m3计算；
（2）建筑楼面按照建筑实际做法取值；
（3）隔墙容重：按外墙18 kN/m3，内墙10 kN/m3考虑。
（4）外包装荷载按3.5 kN/m2；
（5）考虑电气、设备、吊挂按 0.5 kN/m2计；
（6）设备基础、屋面找坡隔热层等按实际情况计算。
2.4.2活载：
根据《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012），楼屋面均布活荷载取值如表2 1楼屋面均布活荷载取值：
表2 1楼屋面均布活荷载取值
注：a.水箱间、水池、设备荷载按实际荷载作用；
b. 活荷载不做折减；
c.室外地面按实际情况考虑，室内首层考虑5kN/m2施工荷载。
2.5主要结构材料及强度指标
(1)混凝土：
基础垫层：C15
桩：C35
桩承台、筏板、防水板：C35（地下室抗渗等级P6）
柱：C50
梁、板：C35
楼梯等其它部位：C35
圈梁、构造柱、现浇过梁：C25
(2)钢筋：
钢筋性能：根据《混规》11.2.3条，按一、二、三级抗震等级设计的框架，其纵向受力普通钢筋应符合下列要求：抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30；最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9%。
3. 结构超限情况判别
本工程所属地区抗震设防烈度为7度，抗震设防类别为丙类，出地面结构高度为23m（结构大屋面），属高度未超限的多层建筑。本工程存在以下不规则情况：
（1）扭转不规则——位移比大于1.2
（2）楼板不连续——二层、三层楼板大开洞、有效宽度小于50%；三层楼板错层大于梁高
（3）尺寸突变——标高16m处收进大于25%
（4）构件间断——标高16m处柱转换
（5）局部不规则——局部穿层柱、个别构件错层、转换。
根据依据中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）国家标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知有关规定，本工程属超限多层，须进行超限审查。
4．结构计算分析成果
4.1计算分析软件及分析内容
根据抗震设计依照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防原则，并结合结构抗震性能化设计目标及规范的各项具体要求，采用YJK（1.8.2版本）和MIDAS（GEN 2018）两个分析程序，进行以下详细的计算分析比较。
计算分析主要包括以下几方面：
（1）整体结构弹性计算分析
首先进行整体结构小震及风荷载作用下弹性分析，并对两种软件的计算结果进行对比，目的在于确定结构的构件尺寸，保证整体结构具备必要的承载力、合适的刚度、良好的变形能力和消耗地震能量的能力，各项指标满足规范的要求。
根据规范要求，对结构进行小震下的弹性时程分析，与振型分解反应谱法的计算结果相比较，取时程分析和反应谱分析的包络值对结构构件进行抗震设计，确保结构构件在小震作用下满足抗震承载力要求。
（2）结构构件的中震（正截面、斜截面不屈服）分析
采用YJK程序根据抗震性能设计目标，对结构构件进行中震作用下的计算分析。
（3）结构构件的大震（正截面、斜截面不屈服）分析
采用YJK程序根据抗震性能设计目标，对结构构件进行大震作用下的计算分析。
（4）大震作用下静力弹塑性分析
采用YJK程序对结构进行大震下的静力弹塑性分析，确保结构满足大震作用下位移角的性能目标要求。
（5）楼板应力分析
采用YJK程序对二层、三层楼板不规则楼层进行大震下的楼板应力分析。大震作用下，当楼板应力小于混凝土极限抗拉强度标准值时，则楼板不会出现受拉开裂，否则需要对拉应力较大区域进行配筋构造加强。
4.2 动力特性分析
结构的前12阶振型如表4 2所示，第一阶模态为X向平动，第二阶模态为Y向平动，第三阶模态为扭转，Tt/T1=0.67<0.90，满足《高规》建筑扭转周期比的规定。
MIDAS计算得到的质量参与系数在X向和Y向分别为96.61%和96.77%；YJK计算得到的质量参与在X向和Y向分别为94.68%和96.46%。均满足规范大于90%的质量参与系数的要求。所以，结构模型所取阶振型进行地震反应计算，满足规范要求。
表4-2 结构前12阶周期(刚性楼板)
4.3楼层剪重比分析
抗震规范(5.2.5)条要求的X向楼层最小剪重比1.60%，Y向楼层最小剪重比为1.60%。表4-5给出了塔楼各层剪力及剪重比（第7层为屋面钢结构装饰构架，未列入表中），从表中可以分析出，结构各层剪重比均满足规范要求。
表4-5楼层地震力及楼层剪力
4.4 楼层侧向刚度分析
本工程将基础顶面作为上部结构的嵌固端。
按《抗规》3.4.3条计算层刚度比，结果如表4-6，
Ratx1，Raty1 : X，Y 方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值
或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者
表4-6楼层侧向刚度比
从表4-6分析得，各层结构楼层刚度比满足《抗规》限值要求。
4.5 层抗剪承载力分析
楼层抗侧力结构的承载能力突变将导致薄弱层破坏，《抗规》3.4.3条规定多层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%。表4-7表明，结构楼层抗剪承载力满足规范要求。
表4-7 层抗剪承载力
4.6 轴压比分析
选取各层混凝土标号和最大轴压比列于表4-8，其余的轴压比见计算书附件。规范GB50011-2010第6.3.6条规定二级框架的轴压比为0.75，当箍筋加强后，轴压比可放宽到0.85。由表4-8可得，结构的轴压比满足规范要求。（第7层为屋面钢结构装饰构架，未列入表中）
表4-8轴压比
4.7弹性时程分析
4.7.1地震加速度时程波
根据《建筑抗震设计规范》第5.1.2条的要求，应采用弹性时程分析法进行补充计算。
时程分析按建筑场地类别和设计地震分组选用两条实际地震记录曲线和一条人工波。均由YJK地震波库中选取。各条波的动参数见表 4-9，波形图详见图4 1。
表 4-9各条波动参数
ArtWave-RH2TG035,Tg(0.35)
图4 1地震波
4.7.2底部剪力对比
弹性时程分析法补充计算结果与振型分解反应谱法计算结果基本一致，每条时程曲线计算的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算的65%，不大于振型分解谱法计算的135%；多条时程曲线计算的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算的80%，不大于振型分解谱法计算的120%，满足规范要求。
4.8 结构中震作用下计算分析
根据中震作用下性能化目标，结构构件保证中震不屈服。
4.9结构大震作用下计算分析
4.9.1 大震作用下性能目标验算
4.9.1.1竖向构件大震剪压比验算
根据性能化要求，结构构件保证大震不屈服。
大震计算分析时，地震反应谱按照《建筑抗震设计规范》，水平地震影响系数最大值取0.50。阻尼比取为0.07，场地特征周期Tg=0.4s。
4.9.1.2穿层柱中震弹性验算
穿层柱的抗震承载力满足中震弹性设计的要求。
4.9.2大震静力弹塑性分析（PUSH）
4.9.2.1 模型介绍
（1）结构在基础嵌固，计算模型仅考虑上部结构；
（2）计算模型对所有结构楼层均采用弹性模楼板假定；
（3）所有构件配筋基于小震的分析结果；
（4）侧推荷载分布采用“规定水平力”分布；
结构的平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，考虑“P-∆”效应。
4.9.2.2 X向静力弹塑性分析结果
（1）X向能力曲线、需求曲线及抗倒塌演算结果见图4 2所示：
图4-2 X向推覆曲线
本工程与性能点对应的加载步的结构顶点位移为159.355mm，层间位移角为1/310<1/60，满足罕遇地震作用下规范规定的变形要求。与性能点对应的总加载步号为20。
（2）性能点对应楼层剪力：
性能点处对应的楼层最大剪力20980.1KN。
4.9.2.3 Y向静力弹塑性分析结果
（1）Y向能力曲线、需求曲线及抗倒塌演算结果见图4-3所示：
图4-3 Y向推覆曲线
本工程与性能点对应的加载步的结构顶点位移为163.18mm，层间位移角为1/316<1/60，满足罕遇地震作用下规范规定的变形要求。与性能点对应的总加载步号为20。
（2）性能点对应楼层剪力：
性能点处对应的楼层最大剪力20980.1KN。
4.9.2.4静力弹塑性分析结论
X方向大震性能点对应位移角为1/310，Y方向大震性能点对应位移角1/316；推覆分析表明结构在罕遇地震下位移角远小于规范限值1/60，能保证大震不倒。
4.9.3结论
通过结构在大震作用下结构构件的性能分析和静力弹塑性推覆分析，可以得出如下结论及建议：
(1)结构整体及主要构件在大震下的表现能够满足《抗震规范》抗震性能4的目标要求。
(2)结构层间弹塑性位移角大于1/60，满足大震不倒的要求。
(3)部分框架形成弯矩屈服铰进入塑性状态，同一楼层未全部出现屈服。
(4)整体结构具有较好耗能体系和整体性。
4.10 楼板应力分析
建筑的楼面系统是使框架结构体系变形协调、发挥结构空间整体性能的重要构件。二层、三层楼板大开洞，为保证在结构在大震作用下二层和三层楼板能有效传递水平荷载而不致出现较大裂缝导致较为严重的刚度退化，对二层、三层的楼板，采用弹性膜假定，对楼板应力进行分析，以保证结构安全。
大震作用下，利用《抗规》楼板不屈服计算楼板应力，当楼板应力小于混凝土极限抗拉强度标准值时，则楼板不会出现受拉开裂，否则需要对拉应力较大区域进行配筋构造加强。具体加强方法，大震下按弹性膜计算的的楼板配筋与小震下按普通楼板计算的楼板配筋取配筋包络。
从以上楼板应力分析结果可以看出：在大震作用下二层、三层楼板的绝大部分拉应力均小于楼板的混凝土极限抗拉强度标准值(2.90MPa)，最大拉应力区域主要集中在大开洞四角、开洞形成的狭长楼板区域，均考虑适当提高楼板配筋率，二层楼板应力不超过5.2Mpa，三层楼板应力最大6.3Mpa且分布范围有限，通过加强配筋楼板可以满足大震不屈服的性能目标。
4.11 超限多层的抗震设计结论
（1）YJK和MIDAS两种程序计算分析的结果表明，结构构件在多遇地震下均处于弹性工作状态，层间位移角满足规范要求，可保证小震不坏。
（2）弹性时程分析结果表明，变形曲线不存在突变，无薄弱层。
（3）中震计算表明，所有结构构件均满足中震不屈服的性能要求。
（4）通过罕遇地震静力弹塑性分析，结构整体和抗侧力构件的最大弹塑性变形值都小于规范规定的最大弹塑性变形限值，结构在罕遇地震下的抗震性能满足防倒塌的设计目标；结构整体和主要抗侧力构件框架柱有部分屈服，但均满足抗剪截面的要求，未发生脆性破坏。
5．结束语
综上所述，本工程设计能够满足规范对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，抗震设计可达到预期的性能目标，结构是安全可靠的。
论文作者:孙虎根
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2019/1/7
标签：结构论文; 楼板论文; 荷载论文; 构件论文; 大震论文; 塑性论文; 性能论文; 《基层建设》2018年第33期论文;