深圳塘朗幼儿园--复杂公共建筑结构超限设计

深圳塘朗幼儿园--复杂公共建筑结构超限设计

王俊　

（中誉设计有限公司，清远 511518）

内容摘要：本项目位于广东省深圳市地铁5号线塘朗车辆段上盖15分区，地上共5层，存在扭转不规则、侧向刚度不规则、局部不规则及结构体系超限为平面及竖向均不规则的超限高层结构。为保证结构的抗震性能，采用抗震性能设计方法，对不同构件提出可行的抗震性能目标，采用多个软件对结构各抗震设防阶段进行分析。对单向大跨框架进行超震（1.5倍中震和2倍大震）专项分析，分析结果表明，结构设计安全可行。本工程可为类似工程设计提供参考。

关键词：幼儿园;  单向大跨框架;  性能设计;  超限设计；

中图分类号： TU318      文献标志码：A         文章编号：

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1工程概况

本项目为公共教育建筑，项目位于广东省深圳市地铁5号线塘朗车辆段上盖15分区。下部为车辆段检修库，结构体系为框架结构；建筑总平面图见图1，建筑效果见图2。

2 基础设计

本工程基础选用D1000mm钻(冲)孔灌注桩方案，桩基持力层选用⑧-2强风化岩层，单桩承载力特征值为4500KN。基础的埋深约2.5m（承台面），承台厚度2m；

3 结构布置

3.1结构体系

平台下为车辆段列检查库，为多跨框架，平台上为幼儿园，X向为多跨框架，Y向为单向18.4米大跨框架(600~800x1800混凝土梁及混凝土柱(1200X1200))，楼盖厚120mm，端部设置水平交叉撑（梁），形成较大的抗扭抗侧力体系；

图1 建筑总平面图

图2 建筑效果

3.2结构超限

本项目建筑高度30米，属于A级高度结构,根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015] 67号)及《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》(粤建市函[2016]20号)的相关规定,本工程存存在扭转不规则、侧向刚度不规则、局部不规则及结构体系超限为平面及竖向均不规则的超限高层结构。

图3 结构平面图

4 结构设计参数及性能设计指标

4.1结构设计参数

风荷载：根据《建筑结构荷载规范》，本工程基本设计风压50年一遇0.75kN/m2。因本工程建筑高度不超过60m，因此结构整体计算及构件承载力验算时的风压均按50年一遇取值。

地震荷载：本工程抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度7度0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期 Tg 取0.35s， αmax 取0.80。

4.2性能设计指标

本项目为超限复杂高层,针对多项一般不规则项和及结构体系超限等特殊结构,需选用可行的抗震性能目标，对于结构整体,应满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准性能目标。

对于关键构件,根据重要程度,结合《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)及超限技术审查意见, 设置了合理的抗震性能目标；关键竖向构件：框架柱按中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计且大震不屈服设计；关键横向连接构件：单向大跨框架梁按中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计且大震不屈服设计。

普通构件及耗能构件：如单向大跨次梁和楼板按中震抗剪不屈服设计；

5 结构分析

5.1多遇地震弹性分析

层间位移角：在多遇地震作用下,结构的的最大层间位移角见下表所示,结果表明,在多遇地震作用下, X、Y 向的最大弹性层间位移角均能满足小于规范 1 / 550 的要求。 两软件计算结果最大层间位移角值和位移比基本接近,其变化趋势相近，位移比个别楼层接近1.4，在端部采用水平交叉撑（梁）拉住柱的扭转，提高了结构的抗扭转效应。

表1结构整体模型计算分析结果

分析结果表明：结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力、楼层最小地震剪力系数均满足《高规》的规定。

分析结果表明：结构各楼层刚度均满足《高规》的规定。此外，结构的抗倾覆、舒适度验算、刚重比均满足规范要求。

5.2设防地震等效弹性分析

设防地震与多遇地震作用下的结构整体反应指标对比如下：  表2 设防与多遇地震下的结构整体反应指标

从整体指标来看，设防地震下的楼层层间位移角约等于2.79倍的小震弹性层间位移角，分布具有规律性，没有出现异常突变情况；基底剪力和基底弯矩比较，结构整体有着较富余的受剪承载能力，满足设防地震下的抗震性能目标的要求。

经软件计算复核，框架柱按中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计；单向大跨框架梁按中震抗剪弹性、抗弯不屈服设计，满足中震性能目标。

5.3罕遇地震动力弹塑性分析

  本项目采用Perform3D和Midas/Gen软件进行多软件的结构的动力弹塑性对比分析，采用两组天然波和一组人工波进行动力激励；主次方向地震波峰值比为1：1输入，本报告偏于安全的取1：1)， 波峰值为220cm/s2。

大震下的弹塑性整体反应指标如下表：

表3  大震下的结构整体反应指标

图4 层间位移角图

图5 残余层间位移角图

由上图表可见，两个软件弹塑性分析计算的结构地震力和位移接近。加长计算时间至地震波结束后10s(共40s)，结构恢复静态，分析结构的残余变形得X向顶点残余变形-0.012m，Y向顶点残余变形-0.002m。X、Y向最大残余层间位移角分别为-0.001、0.0005.残余变形不大。特别是Y向残余变形很小，地震引起的Y向变形基本可以恢复。

青色 1-3 绿色3-4 黄色5-6 红色 6-7

图 6 Perform  一层柱的塑性铰分布

图 7 Gen  一层柱的塑性铰分布

图 7 Gen  二层柱的塑性铰分布

青色1-4 绿色4-7 黄色7-10 红色<10

图 8 Perform  三层梁的塑性铰分布

图 9 Gen  四层梁的塑性铰分布

图 10 F1 柱的塑性铰

图11 Y向梁的塑性铰

通过以上分析，erform软件与gen软件的计算结果接近，说明计算所选程序合适，计算结果可靠。在大震作用下F2-4 梁较多屈服；F3-4 柱无屈服；F2 柱柱底屈服；F1 柱底柱顶屈服，绝大部分柱、梁满足IO水平，少部分超过IO，满足LS，结构层间位移角满足要求，大震作用后结构残余变形很小，结构达到LS性能要求。

综上，罕遇地震作用下，框架柱大部分大震不屈服；关键横向连接构件：单向大跨框架梁大震不屈服设计，满足性能目标。

6 专项分析

6.1楼板应力分析

本工程楼板100厚，采用Midas软件分析楼板在中震下楼板应力如下：

图12 二层楼板应力图

图13 三层楼板应力图

从计算结果来看，二层楼板应力最大拉应力峰值为1.4Mpa,小于C40混凝土抗拉强度标准值2.39Mpa, 三层层楼板应力最大拉应力峰值为3.3pa,大于C40混凝土抗拉强度标准值2.39Mpa,采取加强配筋d8@150或加厚板厚至140mm均可满足要求。

6.2  1.5倍中震超震分析

考虑到已施工完毕的平台下车辆段维修库有部分柱在大震下有部分屈服，现分析1.5倍中震超震下关键构件的结构受力情况。

图14 一层柱的塑性铰分布

图15 二层柱的塑性铰分布

图16 Y向梁的塑性铰

1.5倍中震荷载作用下，结构屈服程度小于大震作用下的反应，2层柱不屈服。

6.3 2倍大震超震分析

考虑到已施工完毕的平台下车辆段维修库有部分柱在大震下有部分屈服，现分析2倍大震超震下关键构件的结构破坏情况。

图17 一层柱的塑性铰分布

图18二层柱的塑性铰分布

图19 Y向梁的塑性铰

2倍大震荷载作用下，结构屈服程度大于大震作用下的反应。结构损伤严重，但没倒塌。

7 结构加强措施

7.1扭转不规则

（1）调整抗侧力构件布置，使墙肢均匀布置，减少质心与刚心之间的偏心以减弱结构的扭转效应；

（2）增强建筑物周围刚度，加大建筑物周边抗侧力构件及梁，增强结构的扭转刚度，控制扭转。

7.2侧向刚度不规则

（1）对由于侧向刚度不规则造成的薄弱楼层的底层柱子按小震弹性设计，按中震弹性复核。

（2）进行大震下的弹塑性变形分析验算薄弱层的性能，确保底层薄弱层的柱子在大震下抗弯不屈服、抗剪弹性的抗震性能目标。

7.3单跨框架梁构件

（1））单跨框架梁构件按小震弹性设计，按中震弹性复核，在大震下按不屈服复核；

（2）严格控制单跨框架梁的剪压比，以确保转换单跨框架梁的抗剪强度；

7.4单跨框架柱构件

  单跨框架梁构件按小震弹性设计，按中震弹性复核，在大震下按不屈服复核；

   单跨框架柱为本结构的最重要抗侧力体系，并承担上部全部坚向荷载，其安全性更关系到整个结构体系的安危，采用以下加强措施：

（1）单跨框架柱构件按小震弹性设计，按中震弹性复核，在大震下按不屈服复核；

（2）单跨框架柱按抗震等级二级（幼儿园为一级）来设计，控制柱有足够的配筋率，并严格控制轴压比。

（3）提高单跨框架柱柱子混凝土强度（如采用C45），加大柱子上部配筋率，提高柱子延性；

（4）为了保证单跨框架柱延性，地震力作用组合下的外框架柱轴压比被控制在比规范更严格的范围内，即保持在0.6以下（考虑沿柱全高采用井字复合箍，箍筋间距不大于100mm，肢距不大于200mm，直径不小于12mm等措施）。

8 结语

（1）在多遇地震作用及风荷载作用下，SATWE和Midas两种软件分析的各项指标基本一致；结构构件处于弹性阶段，承载能力和变形能力均能满足现行规范要求。能够满足“性能水准1”的抗震性能目标。能够满足“性能水准1”的抗震性能目标。

（2）在设防烈度地震作用下，框架柱满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服；单向大跨框架梁满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服，框架梁及次梁有个别出现受弯屈服，但受剪不屈服；可满足“性能水准3”的抗震性能目标。

（3）在罕遇地震作用下，结构层间弹塑性位移及层间位移角均满足规范限值要求，平台上的框架柱均受弯受剪不屈服；平台下的框架柱出现部分受弯屈服，但满足受剪截面要求；在1.5倍中震荷载作用下，结构屈服程度小于大震作用下的反应，2层柱不屈服；在2倍大震荷载作用下，结构屈服程度大于大震作用下的反应，结构损伤严重，但没倒塌；可满足“性能水准4”的抗震性能目标。

（4）该结构满足抗震性能目标设定的在指定地面运动下的各项抗震性能水准要求，是安全、可靠、合理且满足规范要求的。

参 考 文 献

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ  3—2010 [ S]. 北 京:中国建筑工业出版社,2011

[2] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[ S]. 2016 年版.北京:中国建筑工业出版社,2016

[3] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质〔2015〕67 号[ A]. 北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015

[4] 地铁塘朗车辆段上盖保障性住房及相关配套项目D区

幼儿园超限高层建筑抗震专项论证报告

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