论文部分内容阅读
摘要：某地铁车辆段上盖的学校，下部为车辆段工艺库房，上部学校为多层框架结构，出裙房高度为24米，学校结构的框架柱在车辆段大底盘的盖板处通过转换构件转换，形成托柱转换的框架结构。针对本工程特点，并结合抗震设防专项审查意见，介绍了本工程设计要点，包括计算分析及构造措施，可为类似工程提供参考。
关键词：托柱转换; 弹性时程分析; 静力弹塑性分析
一、工程概况
首至二层裙房为车辆段工艺库房，三层至八层为学校。根据建筑平面布置和结构受力需要，学校为框架结构。转换层设置于裙房顶，转换构件采用梁式转换。学校标准层建筑平面如下图：
学校标准层建筑平面图
本工程设计基准期为50年，设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，基础设计等级为乙级。抗震设防类别：乙类。抗震设防烈度为7度，场地类别为II类。设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，水平地震影响系数对多遇地震取0.08，对于设防地震取0.23，对于罕遇地震取0.5。 基本风压取50年重现期的风压值0.5kN/m2，地面粗糙度为B类。
二、结构选型
1结构体系及截面尺寸、材料
学校为框架结构。转换层设置于裙房顶，转换构件采用梁式转换。转换柱截面1500x1200。转换梁截面为1000x2000。首至二层柱混凝土强度为C40，其余楼层柱混凝土强度均为C35~C30。梁板混凝土强度为C30。钢筋均采用HRB400。
2结构超限类型和程度
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（2010年版）》、《建筑抗震设计规范》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〔2011〕580 号）确定进行了判断。判断结果详见下表一～表三：
表一 建筑结构高度超限判断
项目 简要涵义 基本情况 超限判别
高度 7 度区A级高度框架结构50 米 主要屋面高度39米 否
结论 高度不超限
表二 建筑结构一般性超限判断
序号 不规则类型 简要涵义 基本情况 超限判别
1a 扭转不规则 考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2 X:1.34（3F，1/723）Y:1.32（8F，1/695） 是
2a 凹凸不规则 平面凹凸尺寸大于相应边长30% 大于相应边长30% 是
2b 组合平面 细腰形或角部重叠形 无
3 楼板不连续 有效宽度小于50%
开洞面积大于30%
错层大于梁高 无（分缝后） 否
4a 侧向刚度不规则 该层的侧向小于相邻上一层的70%或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80% X：0.83（1F）
Y：0.78（1F） 是
4b 尺寸突变 竖向构件位置缩进大于25%或外挑大于10%和4m 3层缩进大于25%
5 竖向构件不连续 上下墙、柱、支撑不连续
（含加强层、连体类） 裙房顶板托柱转换 是
6 承载力突变 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80% X：0.72 （1F）
Y：0.61（1F） 是
结论 4项不规则超限
表三 建筑结构严重不规则超限判断
序号 不规则
类型 简要涵义 基本情况 超限判别
1 扭转偏大 裙房以上30%或以上楼层数
考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.5 X:1.34（3F，1/723）Y:1.32（8F，1/695） 否
2 层刚度偏小 本层侧向刚度小于相邻上层的50% 首层侧向刚度为2层侧向刚度的78% 否
3 高位转换 框支墙体的转换构件位置：
7度超过5层，8度超过3层 无 否
4 厚板转换 7～8度设防的厚板转换结构 无 否
5 复杂连接 各部分层数、刚度、布置不同的错层
连体两端塔楼高度、体型或者沿大底盘某个主轴方向的振动周期显著不同的结构 无 否
6 多重复杂 结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔等复杂类型中的3种 无 否
结论 无超限
从以上三个判断表格可知，本工程存在扭转不规则，平面不规则，尺寸突变，托柱转换，承载力突变需作超限分析。
3结构抗震性能目标
本工程设定结构抗震性能目标为C级，性能水准、构件在各地震水准下的损坏程度如下表所示。
多遇地震（小震） 设防烈度地震（中震） 预估的罕遇地震（大震）
性能水准 1 3 4
普通竖向构件 无损坏（弹性） 轻微损坏（抗剪弹性，抗弯不屈服） 部分构件中度损坏
（满足最小抗剪截面要求）
关键构件 无损坏（弹性） 轻微损坏（抗剪弹性，抗弯不屈服） 轻度损坏（抗剪不屈服）
耗能构件 无损坏（弹性） 轻度损坏，部分中度损坏
（抗剪不屈服） 中度损坏，部分比较严重损坏
（满足最小抗剪截面要求）
三、基础设计
根据拟建场地的地勘报告，本工程采用桩基础，桩基形式为冲孔灌注桩基础。桩端持力层为微风化花岗岩；桩径为1000mm~1400mm；单桩竖向承载力特征值Ra为7500KN~15000KN；有效桩长约35m，桩身混凝土强度等级为C35;嵌岩深度约为0.5m。
四、结构计算分析
1弹性分析
本工程的整体计算选用PKPM的SATWE软件，增加了YJK软件进行对比分析。通过两个软件的小震计算后可以得出如下结论：
1.第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85。
2.在偶然偏心影响的地震作用下，属I类扭转不规则，满足“高规” A级高度建筑不应大于该楼层平均值1.5倍的要求；
3.各塔楼在地震作用和风荷载作用下层间位移角均满足规范的要求。
4.楼层层间抗侧力结构的受剪承载力小于其上一层受剪承载力的75%，楼层侧向刚度大于其上一层70%。施工图设计时可加大首层柱的配筋，满足首层柱的受剪承载力大于二层的80%。
5.各栋的刚重比均大于20，满足高层建筑结构整体稳定的要求，不考虑P-Δ效应的影响。
6.转换柱最大轴压比均小于0.6。
SATWE与YJK的计算结果相近，这说明计算结果合理、有效，结构体系选择恰当。
2弹性动力时程分析补充验算
本工程采用了弹性时程分析法进行了计算，采用两组天然波和一组人工波，多组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。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65% ，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80%。经计算后时程分析结论如下：1、规范反应谱计算得出的楼层剪力、倾覆弯矩、位移均大于弹性时程分析的结果，反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。2、时程分析计算得出的楼层剪力、位移曲线，在2层有突变，而反应谱的计算结果较平滑，这说明时程分析比反应谱更真实的反应了结构由于楼层层高变化、及混凝土强度带来层间刚度的变化。
3弹塑性分析
采用MIDAS BUILDING程序“彈塑性动力弹塑性分析”模块进行计算，经计算后，最大层间位移角：X向：1/155，Y向：1/180。 罕遇地震作用下的最大层间位移角均小于1/50，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2010）”的要求。
4设防烈度地震作用下转换层楼板应力分析
为保证结构的整体性能，对中震弹性地震作用下转换层楼板应力进行分析，该层楼板厚度为180mm，混凝土为C30。采用PMSAP程序进行楼板应力分析，经计算后，在设防烈度地震作用下，转换层在X、Y向的楼板应力峰值分别为1.5N/mm2，1.1N/mm2，小于C30混凝土抗拉强度标准值2.01N/mm2，经过验算可满足楼板大震不屈服的性能要求。
五、超限处理主要措施
根据计算结果我们对结构进行了以下加强措施：
1.本工程中转换柱是主要的抗侧力构件，因此，按中震抗剪弹性、大震不屈服性能目标进行设计，提高转换柱的延性。其余各构件也严格按照性能目标进行设计。
2.加强转换柱、转换梁抗震等级提高至一级，且适当加强收进部位以下2层结构周边竖向构件的配筋。
3.转换层等重要楼面进行应力分析，并按中震弹性进行配筋。
综上所述，本工程能满足现行规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒” 的抗震设防要求。
关键词：托柱转换; 弹性时程分析; 静力弹塑性分析
一、工程概况
首至二层裙房为车辆段工艺库房，三层至八层为学校。根据建筑平面布置和结构受力需要，学校为框架结构。转换层设置于裙房顶，转换构件采用梁式转换。学校标准层建筑平面如下图：
学校标准层建筑平面图
本工程设计基准期为50年，设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，基础设计等级为乙级。抗震设防类别：乙类。抗震设防烈度为7度，场地类别为II类。设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，水平地震影响系数对多遇地震取0.08，对于设防地震取0.23，对于罕遇地震取0.5。 基本风压取50年重现期的风压值0.5kN/m2，地面粗糙度为B类。
二、结构选型
1结构体系及截面尺寸、材料
学校为框架结构。转换层设置于裙房顶，转换构件采用梁式转换。转换柱截面1500x1200。转换梁截面为1000x2000。首至二层柱混凝土强度为C40，其余楼层柱混凝土强度均为C35~C30。梁板混凝土强度为C30。钢筋均采用HRB400。
2结构超限类型和程度
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（2010年版）》、《建筑抗震设计规范》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〔2011〕580 号）确定进行了判断。判断结果详见下表一～表三：
表一 建筑结构高度超限判断
项目 简要涵义 基本情况 超限判别
高度 7 度区A级高度框架结构50 米 主要屋面高度39米 否
结论 高度不超限
表二 建筑结构一般性超限判断
序号 不规则类型 简要涵义 基本情况 超限判别
1a 扭转不规则 考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2 X:1.34（3F，1/723）Y:1.32（8F，1/695） 是
2a 凹凸不规则 平面凹凸尺寸大于相应边长30% 大于相应边长30% 是
2b 组合平面 细腰形或角部重叠形 无
3 楼板不连续 有效宽度小于50%
开洞面积大于30%
错层大于梁高 无（分缝后） 否
4a 侧向刚度不规则 该层的侧向小于相邻上一层的70%或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80% X：0.83（1F）
Y：0.78（1F） 是
4b 尺寸突变 竖向构件位置缩进大于25%或外挑大于10%和4m 3层缩进大于25%
5 竖向构件不连续 上下墙、柱、支撑不连续
（含加强层、连体类） 裙房顶板托柱转换 是
6 承载力突变 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80% X：0.72 （1F）
Y：0.61（1F） 是
结论 4项不规则超限
表三 建筑结构严重不规则超限判断
序号 不规则
类型 简要涵义 基本情况 超限判别
1 扭转偏大 裙房以上30%或以上楼层数
考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.5 X:1.34（3F，1/723）Y:1.32（8F，1/695） 否
2 层刚度偏小 本层侧向刚度小于相邻上层的50% 首层侧向刚度为2层侧向刚度的78% 否
3 高位转换 框支墙体的转换构件位置：
7度超过5层，8度超过3层 无 否
4 厚板转换 7～8度设防的厚板转换结构 无 否
5 复杂连接 各部分层数、刚度、布置不同的错层
连体两端塔楼高度、体型或者沿大底盘某个主轴方向的振动周期显著不同的结构 无 否
6 多重复杂 结构同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔等复杂类型中的3种 无 否
结论 无超限
从以上三个判断表格可知，本工程存在扭转不规则，平面不规则，尺寸突变，托柱转换，承载力突变需作超限分析。
3结构抗震性能目标
本工程设定结构抗震性能目标为C级，性能水准、构件在各地震水准下的损坏程度如下表所示。
多遇地震（小震） 设防烈度地震（中震） 预估的罕遇地震（大震）
性能水准 1 3 4
普通竖向构件 无损坏（弹性） 轻微损坏（抗剪弹性，抗弯不屈服） 部分构件中度损坏
（满足最小抗剪截面要求）
关键构件 无损坏（弹性） 轻微损坏（抗剪弹性，抗弯不屈服） 轻度损坏（抗剪不屈服）
耗能构件 无损坏（弹性） 轻度损坏，部分中度损坏
（抗剪不屈服） 中度损坏，部分比较严重损坏
（满足最小抗剪截面要求）
三、基础设计
根据拟建场地的地勘报告，本工程采用桩基础，桩基形式为冲孔灌注桩基础。桩端持力层为微风化花岗岩；桩径为1000mm~1400mm；单桩竖向承载力特征值Ra为7500KN~15000KN；有效桩长约35m，桩身混凝土强度等级为C35;嵌岩深度约为0.5m。
四、结构计算分析
1弹性分析
本工程的整体计算选用PKPM的SATWE软件，增加了YJK软件进行对比分析。通过两个软件的小震计算后可以得出如下结论：
1.第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85。
2.在偶然偏心影响的地震作用下，属I类扭转不规则，满足“高规” A级高度建筑不应大于该楼层平均值1.5倍的要求；
3.各塔楼在地震作用和风荷载作用下层间位移角均满足规范的要求。
4.楼层层间抗侧力结构的受剪承载力小于其上一层受剪承载力的75%，楼层侧向刚度大于其上一层70%。施工图设计时可加大首层柱的配筋，满足首层柱的受剪承载力大于二层的80%。
5.各栋的刚重比均大于20，满足高层建筑结构整体稳定的要求，不考虑P-Δ效应的影响。
6.转换柱最大轴压比均小于0.6。
SATWE与YJK的计算结果相近，这说明计算结果合理、有效，结构体系选择恰当。
2弹性动力时程分析补充验算
本工程采用了弹性时程分析法进行了计算，采用两组天然波和一组人工波，多组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。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65% ，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80%。经计算后时程分析结论如下：1、规范反应谱计算得出的楼层剪力、倾覆弯矩、位移均大于弹性时程分析的结果，反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。2、时程分析计算得出的楼层剪力、位移曲线，在2层有突变，而反应谱的计算结果较平滑，这说明时程分析比反应谱更真实的反应了结构由于楼层层高变化、及混凝土强度带来层间刚度的变化。
3弹塑性分析
采用MIDAS BUILDING程序“彈塑性动力弹塑性分析”模块进行计算，经计算后，最大层间位移角：X向：1/155，Y向：1/180。 罕遇地震作用下的最大层间位移角均小于1/50，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2010）”的要求。
4设防烈度地震作用下转换层楼板应力分析
为保证结构的整体性能，对中震弹性地震作用下转换层楼板应力进行分析，该层楼板厚度为180mm，混凝土为C30。采用PMSAP程序进行楼板应力分析，经计算后，在设防烈度地震作用下，转换层在X、Y向的楼板应力峰值分别为1.5N/mm2，1.1N/mm2，小于C30混凝土抗拉强度标准值2.01N/mm2，经过验算可满足楼板大震不屈服的性能要求。
五、超限处理主要措施
根据计算结果我们对结构进行了以下加强措施：
1.本工程中转换柱是主要的抗侧力构件，因此，按中震抗剪弹性、大震不屈服性能目标进行设计，提高转换柱的延性。其余各构件也严格按照性能目标进行设计。
2.加强转换柱、转换梁抗震等级提高至一级，且适当加强收进部位以下2层结构周边竖向构件的配筋。
3.转换层等重要楼面进行应力分析，并按中震弹性进行配筋。
综上所述，本工程能满足现行规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒” 的抗震设防要求。