基于实例建筑的优化设计与抗震性能分析_余文柏.pdf

第 40 卷 第 3 期 邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 Vol.40 No.3 2023 年 6 月 Journal of Xingtai Polytechnic College Jun.2023 收稿日期：20230131 作者简介：余文柏（1983），安徽桐城人，重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司，高级工程师。70 基于实例建筑的优化设计与抗震性能分析 余文柏1，刘 洋2（1.重庆大学建筑规划设计研究总院有限公司，重庆 400045；2.河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054035）摘 要：考虑到越来越多新建建筑的复杂设计方案与抗震性能要求，文章结合新建幼儿园建筑的具体工程实例，利用反应谱与时程分析的方法，对某实例建筑的设计进行了优化设计，并通过地震波的选择、实际模型的建立、阻尼器的添加、分析计算等步骤，对新建幼儿园建筑在多遇、设防以及罕遇地震下的抗震性能进行了分析与研究，为今后建筑的抗震性能分析提供了依据与参考。关键词：时程分析；阻尼器；抗震性能 中图分类号：TU973.31 文献标识码：A 文章编号：10086129（2023）03007006 我国是世界上多地震国家之一，为了对新建建筑物在建造时进行抗震性能的设计与分析，延长建筑物的使用寿命，自 20 世纪 90 年代起，我国在总建筑业投资中的设计和维护的比率逐步上升，其中幼儿园这样的重要场所自然不能忽视，稍有设计不合理就可能会导致整个建筑物使用功能障碍，甚至使结构出现破坏1。加强对幼儿园建筑的抗震设计2，确保在地震来临时，最大程度保障孩子们的生命安全是一项重要的任务，为此需要针对这样有抗震要求的特殊场所提出综合设计方案，并对其进行抗震性能分析3。本文结合实际工程案例，从各种工况地震波的选择、阻尼器的布置等方面4，依据多遇地震、罕遇地震结构弹塑性验算5，以及结构子构件的性能设计6，提出了幼儿园建筑的设计思路并进行了抗震性能分析。本项目依据建筑抗震设计规范GB50011-2010 来进行设计与分析，为今后建筑的抗震性能分析提供了依据与参考7。一、工程概况 1.结构体系布置概述 本工程结合某幼儿园案例分析，工程结构主体为框架结构，地下一层，地上三层，分为上、中、下三个独立的结构单元，单元之间结构缝的宽度为 150 mm，平面布置图如图 1 所示。为更好地提高建筑的整体抗震性能，在其中地上一层与地上二层的相同位置布置阻尼器，每个独立单元布置 6 组，共计 18 组阻尼器。阻尼器的布置如图 2 所示。图 1 结构缝布置平面图 图 2 幼儿园一层阻尼器平面布置图 邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 71 2.结构规则性与抗震不利因素分析 首先对结构进行规则性与抗震不利因素分析：根据平面布置及计算结果，依据某抗震设防超限高层民用建筑工程界定标准对结构上、中、下三个单元的不规则情况进行判断，发现结构均无薄弱层和软弱层；结构竖向抗侧力构件连续；结构的整体稳定性验算满足，因此得出三个单元均不属于不规则结构8，场地内分布有软弱土（杂填土），因此得出为建筑抗震不利地段9。二、结构整体计算分析 1.结构分析软件 本项目主体结构采用 PKPM 软件进行整体反应谱分析和弹性时程分析，采用高性能非线性分析软件MIDAS GEN 进行动力弹性时程分析和动力弹塑性时程分析。2.反应谱分析计算 本项目三个单元结构模型在多遇地震作用下的弹性反应谱分析采用 PKPM 软件进行计算。考虑偶然偏心、双向地震作用以及施工模拟加载影响。结构模型计算参数如表 1 所示。表 1 结构模型计算参数 结构信息 荷载与地震信息 结构高度 12 米 基本风压 0.3 结构层数 4 风荷载计算信息 计算 嵌固层所在层号 基础顶 场地类别 III 类 结构类型 框架结构 设计地震分组 二组 设防烈度 7（0.15g）考虑偶然偏心、双向地震作用 是 考虑 P-效应 是 地震影响系数最大值 0.12 经过计算分析得出在未设置消能器的模型（非减震模型）多遇地震下反应谱分析结果如表 2 所示。表 2 幼儿园三个单元 SATWE 计算结果 地震作用 X 方向 Y 方向 最大层间位移角（地震作用下/风荷载下）位移比 最大层间位移角（地震作用下/风荷载下）位移比 上单元 1/849，1/23895 1.09 1/711，1/10111 1.18 中单元 1/679，1/7693 1.22 1/770，1/25657 1.07 下单元 1/862，1/22133 1.04 1/927，1/11709 1.19 三、结构抗震性能验算 1.减振目标与设计方法 本项目主体结构需要采用减隔震技术，经综合成本及减震效果考虑，最终选用粘滞消能器减震技术10，本项目的减震目标是通过设置消能减震装置有效消耗地震能量，使建筑抗震性能明显提高。钢筋混凝土框架结构的幼儿园在多遇地震时减震目标为 1/550，设防地震时减震目标为 1/400（附加阻尼比为 3.0%，结构总阻尼比为 8.0%）；罕遇地震时减震目标为 1/150（附加阻尼比为 3.0%，结构总阻尼比为 8.0%）；减震结构与非减震结构的层间位移角之比小于 0.7511.本项目主体结构在多遇地震时，性能目标为完好，材料强度采用设计值。并满足层间位移角 1/620限值；设防地震时，性能目标为轻微损坏；普通竖向构件、普通水平构件（框架梁、连梁等）按标准值复核承载力；进行结构构件的抗震承载力、变形和构造设计。并满足层间位移角 1/400 限值；罕遇地震时，性能目标为中等破坏，设计方法是，关键构件按极限值复核承载力；普通竖向构件、普通水平构件关键构件承载力达到极限值后能维持稳定，降低少于 5%；进行结构构件的抗震承载力、变形和构造设计。并满足层间位移角 1/150 限值。2.地震波的选取 邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 72 本项目主体结构抗震性能分析时采用时程分析法，选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，地震波信息如表3所示。经过计算得出的幼儿园上单元地震波反应谱曲线及加速度时程曲线如图3-4所示12。表 3 地震波信息表 时程 名称 编号 名称 地震 地点 发震 时间 采集 间隔 设防地震 加速度峰值 （mm/s2）罕遇地震 加速度峰值 （mm/s2）R1 ACC40 人工波1 0.02 1000 2200 R2 ACC43 人工波2 0.02 1000 2200 天然波1 BigBear-01_NO_905 BIG BEAR 06/28/1992 天然波2 Chi-Chi,Taiwan-02_NO_2196 CHICHIAFTERSHOCK 09/20/1999 天然波3 Coalinga-01_NO_346 COALINGA 05/02/1983 天然波4 Hollister-04_NO_498 HOLLISTER 01/26/1986 天然波5 acc_051KDT080512191101 汶川 05/12/2008 图 3 上单元时程反应谱与规范反应谱曲线 图 4 上单元地震波的加速度时程曲线 3.主楼减振结构时程分析模型 本项目主体结构是钢筋混凝土框架结构，在进行建模计算时采用 MIDAS 软件，在建模时对三个独立单元分别建模。在建模完成后，将阻尼器加入到实际模型中，需要对阻尼器进行建模处理，本项目中所有消能部件均在计算软件中真实建立，阻尼器的计算模型，可采用双线性模型来设置的阻尼器属性。4.主楼多遇地震下弹性时程分析 本项目主楼结构三个单元各条地震波作用下结构底部剪力弹性时程分析结果均满足大于CQC的65%小于 135%，且七条波计算所得的结构底部剪力的平均值满足大于 CQC 法求得的底部剪力的 80%小于 120%的要求，因此从基底剪力角度判断，所选地震波是满足规范要求的。三个单元小震时程分析基底剪力统计如图 5 所示。邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 73 图 5 三个单元小震时程分析基底剪力统计 5.主楼设防地震下弹塑性时程分析 本项目经过软件计算，得出减震结构在中震作用下的设防地震弹塑性时程分析位移角统计数据，从数据中我们可以发现在三个单元的 X 向和 Y 向地震波作用下，最大弹塑性层间位移角均出现在结构第二层。其中：上单元的 X 向最大结构弹塑性层间位移角为 1/432，Y 向为 1/430，中单元 X 向最大结构弹塑性层间位移角为 1/427，Y 向为 1/428，下单元 X 向结构弹塑性层间位移角最大为 1/409，Y 向为 1/416，均满足规范要求的 1/400 的限值，且满足原定减震目标。6.主楼罕遇地震下弹塑性时程分析 在 建筑抗震设计规范 中 5.5.2 条规定：采用隔震和消能减震设计的结构，应进行弹塑性变形验算，同时为进一步验证本项目消能减震结构在大震下的性能以及阻尼器的工作情况，采用 MIDAS GEN 软件进行了罕遇地震作用的动力弹塑性时程分析，共进行了七条波，每条波均对 X、Y 向分别进行了动力弹塑性时程分析。分析模型中框架梁的塑性铰采用 My、Mz 方向的弯曲铰，滞回模型采用修正的武田三折线模型。框架柱的塑性铰采用 PMM 铰，滞回模型采用随动硬化模型。经过计算得出的结构在各地震波工况下对应的基底剪力如图 6 所示.图 6 结构在各地震波工况下基底剪力统计 7.结构出铰情况 本项目主体结构的屈服主要集中在框架梁等耗能构件。子结构仅出现第一阶段塑性铰，无第二屈服阶段的塑性铰。结构整体抗震性能良好。实际施工图设计时将对弹塑性分析中发现的薄弱的构件进行有针对性的加强，总体来看塑性铰较为显著的位置主要集中在框架梁上。其余单元在其它地震波工况下结构出铰情况与 RH1 基本类似。邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 74 四、子结构承载力验算 根据建筑消能减震技术规程（JGJ 297-2013）第 6.4.2 条：消能子结构中梁、柱、墙构件宜按重要构件设计，并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，其值应小于构件极限承载力。结构上单元中 700 mm700 mm 的柱子数量最多，有 13 颗，选取受力最不利的 4 颗进行构件分析，标号分别为 1F-12N，1F-13N，1F-10S，1F-12S。最终经过计算分析，得出的子结构柱信息以及在罕遇地震效应组合下压弯承载力的验算结果如图 7 所示。图 7 柱信息以及在罕遇地震效应组合下压弯承载力验算 邢台职业技术学院学报 2023 年 第 3 期 75 四、结语 在研究建筑物整体性能指标上，需要将弹性时程分析与反应谱分析两种方式结合起来，主要分析建筑物的层间位移角、基地剪力等指标，共同判定结构的整体性能与需要进行设计的部位和柱等构件。第一，本工程虽然存在扭转不规则，但在结构设计中采用有针对性的计算和措施，计算分析结果表明，该工程结构体系选用合理，各项指标均满足现行规范的限值要求。第二，本工程采用减震技术，提高了结构抗震性能，保证了设防地震下结构满足正常使用要求。第三，针对重点部位进行性能化设计加强计算和配筋，使结构的不规则程度得到有效控制，保证关键部位构件的抗震安全富余量。通过结构计算分析结果表明结构选型、布置及各项抗震加强措施是合理有效的，结构在地震作用下抗震性能均能满足规范要求。参考文献：1吴金保，李轩直，许振巍等.基于典型案例的大开洞环廊式结构性能设计对策研究J.建筑结构，2019，49：146-150.2林顺建.某幼儿园隔震结构设计与抗震性能分析J.水利与建筑工程学报，2016，14（06）：146-151.3林光.某幼儿园教学楼基础隔震研究J.福建建筑，2022（04）：54-58.4刘颖涛.弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用J.四川水泥，2021（05）：351-352.5何云，李轩直.某高陡坡地桩箱复合基础嵌固层的有效性分析J.建筑科学，2019，35（09）:19-25.6李轩直，吴金保，张书娜.某转换层结构抗震性能分析与设计对策研究J.邢台职业技术学院学报，2019，36（05）：99-104.7江梦甫，