某图书馆D栋超限高层建筑抗震分析与研究.pdf
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1、 年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号:()某图书馆栋超限高层建筑抗震分析与研究刘中,刘怀斌(电子科技大学 后勤保障部,四川省成都市高新区(西区)西源大道 号 ;四川省建筑科学研究院有限公司,四川省成都市金牛区一环路北三段 号 )摘要:某图书馆栋采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系,结构存在平面扭转不规则、楼板局部不连续、构件间断、其他不规则(局部穿层柱)等不规则项,属于超限高层结构,结合其特点,需对其进行结构抗震分析与研究。采用 和 两种软件对结构在多遇地震作用下进行反应谱分析,两种软件的周期、基底剪力、最大层间位移角、楼层位移等各项计算结果十分相近。采用 软件对结构在设防地震作用下进
2、行构件性能分析,剪力墙、框架柱和框架梁均能满足抗剪弹性、抗弯不屈服的预期性能水准。采用 软件对结构在罕遇地震作用下进行了动力弹塑性分析,确保主体结构抗震安全性。研究结果表明,结合其加强措施和专项分析,该结构整体设计满足规范要求。关键词:图书馆;超限高层建筑;反应谱分析;性能分析;动力弹塑性分析中图分类号:;文献标识码:我国城市化和城市高质量发展日益显著,大量个性化、多样化且具有地方特色建筑依托城市空间展开,而且成为推动城市发展不可或缺的一个重要因素。目前,国内现行建筑设计规范采用常见结构形式、最大适用高度等措施来保障建筑物的结构可靠性。若采用了非常规的结构形式或超过限定最大适用高度,称该建筑物
3、为超限建筑,应进行抗震专项分析并进行抗震设防专项审查 。因此,对于超限高层建筑设计应当结合结构平面和竖向的规则性、既有高层建筑结构震害及破坏机制等,通过“两阶段设计”来实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标。以某图书馆栋建筑结构设计为例,对其多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震进行深入分析并提出加强措施,可为类似超限工程项目抗震分析提供参考。工程概况某图书馆按照建筑整体功能布局为个功能分区组成,上部结构设抗震缝形成上述个相对独立的结构单体,用地面积(建设净用地面积),总建筑面积约 。建成后的该图书馆功能上充分满足了公共性和开放性的需求,实现了项目既为该市共建共享的文体资源,同时又为周
4、边居民提供文体服务。栋地下层为车库,地上层为书库、办公室及阅览室等,框架剪力墙结构,总面积 (地上建筑面积 ,地下建筑面积 ),建筑剖面图见图所示。结构分析采用的参数如下 ,:结构设计使用年限为 年;建筑结构安全等级为二级(结构重要性系数为);建筑抗震设防分类为重点设防类(乙类),抗震设防烈度为度,图栋建筑剖面图 收稿日期:修回日期:第一作者简介:刘中(),男,四川安岳人,工程师,主要从事工程结构、既有建筑维修改造等工作。:构造措施为度(应按高于本地区抗震设防烈度度的要求加强其抗震措施);设计基本地震加速度值为 ,设计地震分组为第一组;场地类别为类,建筑场地属建筑抗震一般地段,特征周期为 ,阻
5、尼比为 ;年一遇基本风压为 ,地面粗糙度类别为类。结构体系栋考虑建筑平面柱网跨度大,楼面荷载较大,南立面局部屋盖结构跨度大等特点,整体结构采用钢筋混凝土框架剪力墙钢筋混凝土和钢网架混合屋盖结构。电梯井和南立面两角部楼梯间采用剪力墙结构,其余部位采用框架结构。层平面及以上抽除部分框架柱,形成楼板大洞口。屋盖结构局部采用双层正方四角锥上承式网架,主要承受屋面竖向荷载,屋盖与下部混凝土结构之间设置铰支座。该房屋整体抗侧刚度主要由钢筋混凝土框架和剪力墙提供,因此结构的抗侧力体系为钢筋混凝土框架剪力墙结构。钢网架屋盖与混凝土结构柱顶、梁顶、墙顶采用铰支座连接,利于空间桁架的后安装以及钢屋盖与混凝土结构的
6、分阶段施工,可尽量降低温度对结构的影响。超限及抗震性能目标根据现行的有关规定 ,本结构高度不超限但存在平面扭转不规则、楼板局部不连续、构件间断、其他不规则(局部穿层柱)等项不规则项,属超限结构。鉴于本工程的超限水平和结构特点,并根据 高层建筑混凝土结构技术规程第 条的要求,本工程的抗震性能目标为级,具体见表所示。表构件抗震性能目标 地震水准 多遇地震设防地震罕遇地震抗震目标 没有破坏有破坏,可修复不可倒塌允许层间位移犺 犺 剪力墙弹性抗剪弹性、抗弯不屈服验算底部 加 强 区 剪 力 墙 轻微损坏;一般区域剪力墙部分中度损坏框架柱弹性抗剪弹性、抗弯不屈服验算底部 加 强 区 框 架 柱 轻微损坏
7、;一般区域框架柱部分中度损坏框架梁弹性抗剪弹性、抗弯不屈服验算转换梁轻微损坏;普通梁大部分中度损坏,部分比较严重损坏结构计算分析 计算分析模型整体计算取地下室抗水板顶作为上部结构的嵌固端,小震弹性反应谱分析、小震弹性时程分析及中震等效弹性分析采用 软件进行整体分析。采用 作小震弹性反应谱分析,并进行对比分析 和 验 证,确 保 方 案 的 可 靠 性。采 用 软件进行罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析。多程序计算模型见图。()()()图多程序计算模型 小震分析 多遇地震下的弹性反应谱分析采用 和 两种软件对结构进行多遇地震弹性反应谱分析,对应的计算结果汇总见表。表多遇地震弹性反应谱计算结果 计算
8、程序 上部结构总质量 结构自振周期()犜 (犡)(犡)犜 (犢)(犢)犜 (犜)(犜)犜犜 水平地震作用犡向犢向有效质量系数 基底剪力 及剪重比 ()()最大层间位移角 规定水平力下最大楼层位移比 最小楼层抗剪承载力比 有效质量系数 基底剪力 及剪重比 ()()最大层间位移角 规定水平力下最大楼层位移比 最小楼层抗剪承载力比 河北水利电力学院学报 计算程序 风荷载作用犡向最大层间位移角 犢向最大层间位移角 由表可见,两种不同计算软件的各项计算结果十分相近,说明各项计算结果有效且合理。前两阶振型均为同向平动,周期比(扭转周期与第一平动周期)均小于 。水平地震作用和风荷载作用的最大层间位移角远小于
9、限值 。规定水平力下最大楼层位移比超过了 的限值,但小于,且最大层间位移角为 ,小于规范限值 的()。综上所述,两种不同力学模型软件的各项计算结果在结构刚度和变形上较为吻合,能够较为准确地模拟结构构件的力学性能,各项计算结果均满足规范要求,结构设计是可靠的。多遇地震下的弹性时程分析采用 软件进行弹性时程分析,在充分考虑地震波的频谱特性、有效峰值及持续时间的前提下,结合本结构的建筑场地类别和设计地震分组,选用两条天然地震波记录和一条人工波记录的加速度时程曲线(见图、图、图)进行弹性时程分析,分别为人工波、天然波和天然波。地震波加速度时程曲线的最大值为 ,时间间隔均为 ,有效持续时间大于结构基本自
10、振周期 倍,所选时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符(见图)。图人工波加速度时程曲线 图天然波加速度时程曲线 图天然波加速度时程曲线 图地震波平均谱与规范谱对比 时程分析法与反应谱法计算结果对比见表。由表可见,时程分析法与反应谱法计算结果基底剪力基本一致,且条时程曲线计算得到的底层剪力均大于 法计算结果的,平均 值 大 于 法计算结果的,地震波符合规范要求。最后将按条波的基底剪力与 法的比值对 法的内力进行调整用作构件设计。时程分析法各条地震波计算所得最大层间位移角平均值分别为 (犡向)和 (犢向),均满足设计要求。说明本工程结构体系的稳定性
11、较好,不会因个别构件的增减而导致动力特性的较大改变。同时 法的结果对本工程的计算具有很好的包络性。故 法应用于本工程进行小震弹性设计是可靠的。第期刘中等:某图书馆栋超限高层建筑抗震分析与研究表时程分析法与反应谱法结果对比 地震波人工波天然波天然波平均值 法犡向基底剪力 与 法之比 犢向基底剪力 与 法之比 犡向最大层间位移角 犢向最大层间位移角 中震分析采用振型分解反应谱法进行中震计算,结合 高层建筑混凝土结构技术规程中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式,进行结构构件性能计算分析。中震等效反应谱计算的参数选取见表。计算结果表明,地震作用下,最大层间位移角分别为 (犡向)和
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