余文柏，劉 洋

（1.重慶大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，重慶 400045；2.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺 054035）

我國是世界上多地震國家之一，為了對新建建筑物在建造時進行抗震性能的設(shè)計與分析，延長建筑物的使用壽命，自20 世紀90 年代起，我國在總建筑業(yè)投資中的設(shè)計和維護的比率逐步上升，其中幼兒園這樣的重要場所自然不能忽視，稍有設(shè)計不合理就可能會導(dǎo)致整個建筑物使用功能障礙，甚至使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞[1]。加強對幼兒園建筑的抗震設(shè)計[2]，確保在地震來臨時，最大程度保障孩子們的生命安全是一項重要的任務(wù)，為此需要針對這樣有抗震要求的特殊場所提出綜合設(shè)計方案，并對其進行抗震性能分析[3]。

本文結(jié)合實際工程案例，從各種工況地震波的選擇、阻尼器的布置等方面[4]，依據(jù)多遇地震、罕遇地震結(jié)構(gòu)彈塑性驗算[5]，以及結(jié)構(gòu)子構(gòu)件的性能設(shè)計[6]，提出了幼兒園建筑的設(shè)計思路并進行了抗震性能分析。本項目依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010 來進行設(shè)計與分析，為今后建筑的抗震性能分析提供了依據(jù)與參考[7]。

一、工程概況

1.結(jié)構(gòu)體系布置概述

本工程結(jié)合某幼兒園案例分析，工程結(jié)構(gòu)主體為框架結(jié)構(gòu)，地下一層，地上三層，分為上、中、下三個獨立的結(jié)構(gòu)單元，單元之間結(jié)構(gòu)縫的寬度為150 mm，平面布置圖如圖1 所示。為更好地提高建筑的整體抗震性能，在其中地上一層與地上二層的相同位置布置阻尼器，每個獨立單元布置6 組，共計18 組阻尼器。阻尼器的布置如圖2 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)縫布置平面圖

圖2 幼兒園一層阻尼器平面布置圖

圖3 上單元時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

圖4 上單元地震波的加速度時程曲線

2.結(jié)構(gòu)規(guī)則性與抗震不利因素分析

首先對結(jié)構(gòu)進行規(guī)則性與抗震不利因素分析：根據(jù)平面布置及計算結(jié)果，依據(jù)某抗震設(shè)防超限高層民用建筑工程界定標準對結(jié)構(gòu)上、中、下三個單元的不規(guī)則情況進行判斷，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)均無薄弱層和軟弱層；結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)；結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗算滿足，因此得出三個單元均不屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)[8]，場地內(nèi)分布有軟弱土（雜填土），因此得出為建筑抗震不利地段[9]。

二、結(jié)構(gòu)整體計算分析

1.結(jié)構(gòu)分析軟件

本項目主體結(jié)構(gòu)采用PKPM 軟件進行整體反應(yīng)譜分析和彈性時程分析，采用高性能非線性分析軟件MIDAS GEN 進行動力彈性時程分析和動力彈塑性時程分析。

2.反應(yīng)譜分析計算

本項目三個單元結(jié)構(gòu)模型在多遇地震作用下的彈性反應(yīng)譜分析采用PKPM 軟件進行計算?？紤]偶然偏心、雙向地震作用以及施工模擬加載影響。結(jié)構(gòu)模型計算參數(shù)如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)模型計算參數(shù)

經(jīng)過計算分析得出在未設(shè)置消能器的模型（非減震模型）多遇地震下反應(yīng)譜分析結(jié)果如表2 所示。

表2 幼兒園三個單元SATWE 計算結(jié)果

三、結(jié)構(gòu)抗震性能驗算

1.減振目標與設(shè)計方法

本項目主體結(jié)構(gòu)需要采用減隔震技術(shù)，經(jīng)綜合成本及減震效果考慮，最終選用粘滯消能器減震技術(shù)[10]，本項目的減震目標是通過設(shè)置消能減震裝置有效消耗地震能量，使建筑抗震性能明顯提高。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的幼兒園在多遇地震時減震目標為1/550，設(shè)防地震時減震目標為1/400（附加阻尼比為3.0%，結(jié)構(gòu)總阻尼比為8.0%）；罕遇地震時減震目標為1/150（附加阻尼比為3.0%，結(jié)構(gòu)總阻尼比為8.0%）；減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角之比小于0.75[11].

本項目主體結(jié)構(gòu)在多遇地震時，性能目標為完好，材料強度采用設(shè)計值。并滿足層間位移角1/620限值；設(shè)防地震時，性能目標為輕微損壞；普通豎向構(gòu)件、普通水平構(gòu)件（框架梁、連梁等）按標準值復(fù)核承載力；進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力、變形和構(gòu)造設(shè)計。并滿足層間位移角1/400 限值；罕遇地震時，性能目標為中等破壞，設(shè)計方法是，關(guān)鍵構(gòu)件按極限值復(fù)核承載力；普通豎向構(gòu)件、普通水平構(gòu)件關(guān)鍵構(gòu)件承載力達到極限值后能維持穩(wěn)定，降低少于5%；進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力、變形和構(gòu)造設(shè)計。并滿足層間位移角1/150 限值。

2.地震波的選取

本項目主體結(jié)構(gòu)抗震性能分析時采用時程分析法，選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，地震波信息如表3所示。經(jīng)過計算得出的幼兒園上單元地震波反應(yīng)譜曲線及加速度時程曲線如圖3-4所示[12]。

表3 地震波信息表

3.主樓減振結(jié)構(gòu)時程分析模型

本項目主體結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在進行建模計算時采用MIDAS 軟件，在建模時對三個獨立單元分別建模。在建模完成后，將阻尼器加入到實際模型中，需要對阻尼器進行建模處理，本項目中所有消能部件均在計算軟件中真實建立，阻尼器的計算模型，可采用雙線性模型來設(shè)置的阻尼器屬性。

4.主樓多遇地震下彈性時程分析

本項目主樓結(jié)構(gòu)三個單元各條地震波作用下結(jié)構(gòu)底部剪力彈性時程分析結(jié)果均滿足大于CQC 的65%小于135%，且七條波計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值滿足大于CQC 法求得的底部剪力的80%小于120%的要求，因此從基底剪力角度判斷，所選地震波是滿足規(guī)范要求的。

三個單元小震時程分析基底剪力統(tǒng)計如圖5 所示。

圖5 三個單元小震時程分析基底剪力統(tǒng)計

5.主樓設(shè)防地震下彈塑性時程分析

本項目經(jīng)過軟件計算，得出減震結(jié)構(gòu)在中震作用下的設(shè)防地震彈塑性時程分析位移角統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中我們可以發(fā)現(xiàn)在三個單元的X 向和Y 向地震波作用下，最大彈塑性層間位移角均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第二層。其中：上單元的X 向最大結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角為1/432，Y 向為1/430，中單元X 向最大結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角為1/427，Y 向為1/428，下單元X 向結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角最大為1/409，Y 向為1/416，均滿足規(guī)范要求的1/400 的限值，且滿足原定減震目標。

6.主樓罕遇地震下彈塑性時程分析

在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中5.5.2 條規(guī)定：采用隔震和消能減震設(shè)計的結(jié)構(gòu)，應(yīng)進行彈塑性變形驗算，同時為進一步驗證本項目消能減震結(jié)構(gòu)在大震下的性能以及阻尼器的工作情況，采用MIDAS GEN 軟件進行了罕遇地震作用的動力彈塑性時程分析，共進行了七條波，每條波均對X、Y 向分別進行了動力彈塑性時程分析。

分析模型中框架梁的塑性鉸采用My、Mz 方向的彎曲鉸，滯回模型采用修正的武田三折線模型?？蚣苤乃苄糟q采用PMM 鉸，滯回模型采用隨動硬化模型。經(jīng)過計算得出的結(jié)構(gòu)在各地震波工況下對應(yīng)的基底剪力如圖6 所示.

圖6 結(jié)構(gòu)在各地震波工況下基底剪力統(tǒng)計

7.結(jié)構(gòu)出鉸情況

本項目主體結(jié)構(gòu)的屈服主要集中在框架梁等耗能構(gòu)件。子結(jié)構(gòu)僅出現(xiàn)第一階段塑性鉸，無第二屈服階段的塑性鉸。結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好。實際施工圖設(shè)計時將對彈塑性分析中發(fā)現(xiàn)的薄弱的構(gòu)件進行有針對性的加強，總體來看塑性鉸較為顯著的位置主要集中在框架梁上。其余單元在其它地震波工況下結(jié)構(gòu)出鉸情況與RH1 基本類似。

四、子結(jié)構(gòu)承載力驗算

根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297-2013）第6.4.2 條：消能子結(jié)構(gòu)中梁、柱、墻構(gòu)件宜按重要構(gòu)件設(shè)計，并應(yīng)考慮罕遇地震作用效應(yīng)和其他荷載作用標準值的效應(yīng)，其值應(yīng)小于構(gòu)件極限承載力。

結(jié)構(gòu)上單元中700 mm×700 mm 的柱子數(shù)量最多，有13 顆，選取受力最不利的4 顆進行構(gòu)件分析，標號分別為1F-12×N，1F-13×N，1F-10×S，1F-12×S。最終經(jīng)過計算分析，得出的子結(jié)構(gòu)柱信息以及在罕遇地震效應(yīng)組合下壓彎承載力的驗算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 柱信息以及在罕遇地震效應(yīng)組合下壓彎承載力驗算

四、結(jié)語

在研究建筑物整體性能指標上，需要將彈性時程分析與反應(yīng)譜分析兩種方式結(jié)合起來，主要分析建筑物的層間位移角、基地剪力等指標，共同判定結(jié)構(gòu)的整體性能與需要進行設(shè)計的部位和柱等構(gòu)件。

第一，本工程雖然存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用有針對性的計算和措施，計算分析結(jié)果表明，該工程結(jié)構(gòu)體系選用合理，各項指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范的限值要求。

第二，本工程采用減震技術(shù)，提高了結(jié)構(gòu)抗震性能，保證了設(shè)防地震下結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求。

第三，針對重點部位進行性能化設(shè)計加強計算和配筋，使結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度得到有效控制，保證關(guān)鍵部位構(gòu)件的抗震安全富余量。

通過結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)選型、布置及各項抗震加強措施是合理有效的，結(jié)構(gòu)在地震作用下抗震性能均能滿足規(guī)范要求。