河南省科技馆结构设计与分析

河南省科技馆结构设计与分析

作者：卓杰

来源：《工业设计》2017年第05期

摘要：本工程存在着平面凹凸不规则、扭转不规则、楼板不连续、局部错层、穿层柱、斜柱及夹层超限等多项不规则的情况，属特别不规则的超限高层结构。本工程采用两种软件盈建科及MIDAS进行抗震性能设计方面的计算分析。

关键词：超限高层结构；弹塑性时程分析

1 工程概况

本项目拟建地点位于河南省郑州市郑东新区，河南省科技馆建筑高度43.0米，总建筑面积约10.5万平米。项目效果图如图1。

河南省科技馆主体结构体系采用钢筋（钢骨）混凝土框架—剪力墙形式。建筑抗震设防类别为乙类，剪力墙及连梁一级，框架二级、钢框架三级。

2 结构超限情况介绍

参考《超限高层建筑工程抗震设计指南》[1]，对各塔楼进行了超限情况分析：

（1）本建筑呈Y字形平面布局，平面凹凸尺寸大于相应边长30%。

（2）本建筑部分楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2。

（3）本建筑局部楼层楼板有效宽度小于50%；且存在错层。

（4）本建筑存在局部的穿层柱、斜柱以及局部夹层。

因此主体结构属于特别不规则的超限高层。

3 上部结构计算分析

3.1计算软件及参数设置

本工程在设计中参考了《高层建筑结构》[2]，结构整体计算时采用北京盈建科软件股份有限公司编制的YJK（1.8.2.0版本）软件和MIDAS GEN（V855版本）这二个空间结构分析程序，并对结构静力等方面计算结果进行了总结。

结构的主要计算参数如下：

（1）场地设计特征周期0.40s；

（2）钢筋混凝土结构的阻尼比：0.05；

（3）抗震设防列度为：7度，设计地震分组为第二组，设计基本加速度值为0.1g；

（4）多遇地震水平影响系数最大值：0.08；

（5）基本风压按50年一遇的的1.1倍标准取值（按0.50kN/m2），地面粗糙度B类；

（6）地震力均采用藕联分析；

（7）考虑双向地震作用与偶然偏心。

3.2结构体系和布置

抗侧力体系如图2。

3.3结构弹性计算分析

依据《建筑结构荷载规范》[3]、《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]、《混凝土结构设计规范》[5]、《建筑抗震设计规范》[6]，总结的多遇地震下计算结果如下：

（1）结构动力特性：

计算得到的前3阶模态的振动周期结果如下：T1=1.1302S，T2=1.0560S，T3=0.9789S。

（2）基底剪力：

计算得到的基底剪力如下：X=46363kN，Y=44935kN。

（3）层间位移角：

楼层层间位移角X=1/1990，Y=1/1636。

由以上计算结果可得弹性状态下结构各指标均满足规范要求。

3.4结构静力弹塑性分析计算分析

本工程宜选取C等级作为抗震性能设计的目标。采用弹塑性静力推覆分析法（Push-Over）对本结构进行水平荷载作用下的弹塑性计算。

按规范要求的“大震不倒”抗震设防目标，采用PUSH程序对建筑在罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析，共进行X+向、X-向、Y+向、Y-向四个方向的推覆验算。

静力推覆分两步进行加载，第一步为施加重力荷载代表值，并在后续施加水平荷载过程中考虑其影响，即计算中考虑了P-Δ效应；第二步为逐步施加竖向分布模式为按该方向主振型模态分布的水平荷载，直至结构达到终止条件为止。

从推覆结果看：在罕遇地震作用下（水平地震影响系数最大值取0.50），性能点处各层弹塑性位移角最大值小于规范限值1/100，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》[4]第4.6.5条的规定，建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标。

从静力弹塑性计算结果可以看出，在大震下较多框架梁端出现塑性铰，少量剪力墙及框架柱出现塑性角。整体结构基本合理，塑性铰主要出现在框架梁及连梁等耗能构件上，同时，框架柱出铰较少，能满足大震下二道防线的作用。对于出现出铰情况的剪力墙，拟采用对其配置型钢钢骨及增加其配筋等措施对其进一步加强。

3.5结构动力弹塑性分析计算分析

为进一步考察建筑在罕遇地震作用下的内力、变形及损伤情况，采用YJK软件对结构进行了大震下的弹塑性时程分析。

七条地震波的层间位移角的最大值如图3图4所示。

（1）从整体指标来看，结构在七组地震波作用下，沿X、Y向的各层弹塑性位移角最大值分别为1/126、1/120，满足规范对框-剪结构弹塑性位移角限值（1/100）的的规定。

（2）从构件层面来看，框架柱基本上保持大震下不屈服状态；剪力墙基本处于轻度～中度破坏等级之间。

4 结论

（1）整体结构以YJK程序分析为主，辅以MIDAS进行对比分析。两个程序的计算结果在总体上基本保持规律一致。

（2）通过结构弹性计算分析可得弹性状态下结构各指标均满足规范要求。

（3）通过结构静力弹塑性分析可得在罕遇地震作用下，性能点处各层弹塑性位移角最大值小于规范限值1/100。

（4）通过结构动力弹塑性分析可得，结构在七组地震波作用下，沿X、Y向的各层弹塑性位移角最大值分别为1/126、1/120，满足规范的规定。

参考文献：

[1]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].上海：同济大学出版社，2009.

[2]吕西林.高层建筑结构[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.

[3] GB50009-2012建筑结构荷载规范[S].

[4] JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5] GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].

[6] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].