基于实例建筑的优化设计与抗震性能分析

余文柏，刘 洋

（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）

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

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

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

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

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0.75[11].

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

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

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。

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。

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 mm×700 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-12×N，1F-13×N，1F-10×S，1F-12×S。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

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。