长春市政务服务中心建设项目结构抗震设计

长春市政务服务中心建设项目结构抗震设计
崔志刚;李国强;许晓冬;魏连东
【摘要】长春市政务服务中心建设项目,在2～6层楼板开大洞口,违反吉林省建设工程抗震超限界定标准.因此本工程采用框架结构体系,根据结构的超限情况和抗震性能设计目标,进行多遇地震下的弹性设计,对结构的关键构件,采用等效弹性方法进行抗震性能设计,采用弹塑性静力分析方法(Pushover分析)评价结构在中、大震下的整体承载力能力和变形能力,验算楼板在大震下的抗剪承载力.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2019(041)005
【总页数】8页(P74-81)
【关键词】楼板开大洞口;抗震性能设计;等效弹性;静力弹塑性分析
【作者】崔志刚;李国强;许晓冬;魏连东
【作者单位】哈尔滨工业大学建筑设计研究院,哈尔滨150090;哈尔滨工业大学建筑设计研究院,哈尔滨150090;哈尔滨工业大学建筑设计研究院,哈尔滨150090;哈尔滨工业大学建筑设计研究院,哈尔滨150090
【正文语种】中文
【中图分类】TU311.3
0 引言
长春市政务服务中心建设项目位于长春市政府西侧地块，北侧为南环城路，西侧为
华新街，南隔政兴路与友谊湖相望。

本工程主要功能为政府办公楼，结构长
148.10m，宽72.50m，地下一层，地上六层，地下室层高5.4m，地上各层层高
均为5.4m，结构地上总高度32.700m（含室内外高差300mm），总建筑面积69827.0m2，在⑦轴和⑯轴位置设置两道抗震缝，将结构分成3个独立的塔楼，
具体见图1，文中具体针对2#塔楼进行抗震性能设计。

图1 建筑标准层平面图
图2 建筑立面效果图
2 结构体系
结合本工程建筑空间的特点，采用现浇钢筋混凝土框架结构体系，以地下室顶板作为上部结构的嵌固部位；楼板和屋面板采用现浇钢筋混凝土梁板结构。

主要框架柱截面：普通框架柱800mm×800mm；角柱1000mm×1000mm；纯地下室框架柱600mm×600mm。

主要梁截面：300mm×700mm、350mm×700mm、600mm×700mm，大洞
口周边框架梁，400mm×800mm；
楼板：地上楼板150mm和120mm；地下室顶板：180mm和250mm。

混凝土强度等级：框架柱和梁板均采用C30。

2.1 结构布置
2#塔楼结构平面布置如图3所示，结构的高宽比：H/B=35.4/55.9=0.634;长宽比：L/Bmax=72.3/55.90=1.294，l/b=5.6/46.10=0.122；楼板开洞：有效宽度：
X:X1/X=25.40/55.90=45.44%,Y:25.0/65.7=38.06%,楼板开洞面积比例：
S1/S=1241.35/3931.81=31.57%，楼板开大洞口，不满足JGJ 3-2010《高层建
筑混凝土结构技术规程》[5]（简称高规）3.4.6条规定要求。

图3 结构平面布置图（单位：mm）
2.2 基础设计
本工程基础采用桩基础，静压预应力高强混凝土管桩，桩端持力层为第4层粗砂。

地下室底板采用桩基承台加防水底板的方案，防水底板厚400mm，采用C30补
偿收缩混凝土，抗渗等级为P8。

3 结构设计
3.1 基本设计参数
本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，重要性系数为1.0，建筑结
构的抗震设防类别为丙类（标准设防类），抗震设防烈度为7度（0.1g）,设计地
震分组是第一组，按照地勘报告，建筑场地类别为II类。

本工程以地下室顶板作
为上部结构的嵌固端，框架抗震等级为二级。

3.2 地震作用
根据高规相关规定，本工程抗震设防烈度7度，属于II类场地，其地震作用参数
如表1所示。

表1 规范设计地震动参数超越概率Amax/gal αmax Tg/s γ 50年63%（常遇地震） 35 0.080 0.35 0.90 50年10%（偶遇地震） 100 0.23 0.35 0.90 50年2%（罕遇地震） 220 0.50 0.40 0.90
3.3 风荷载
根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[4]（以下简称荷规）的相关规定，本工程地面粗糙度类别是C类。

结构位移计算时基本风压为0.65kN/m2（50年重
现期），结构承载力计算时采用按荷规规定的方法确定的50年重现期风压，阻尼比为0.05，结构的体型系数取为1.30。

结构舒适度验算时基本风压为
0.45kN/m2（10年重现期），阻尼比采用0.02。

4 结构超限情况及抗震性能目标
根据相关文献[1]、[2]的要求及高规的有关规定，本工程违反吉林省地方规范DB 22/T480-2012《建设工程抗震超限界定标准》[2]中规定：楼板不连续较大，楼板
有效宽度小于40%，开洞面积（含错层）大于该楼层面积的40%。

本工程在2层～6层楼板开大洞，楼板有效宽度不满足规范要求。

根据本工程超限情况，以及结构的复杂程度，采用基于性能的抗震设计方法，按照比现行规范更加严格的抗震措施和抗震构造措施，来确保实现预期的抗震性能设计目标。

根据《抗规》1.0.1条的规定和《高规》3.11.1条及3.11.2条（抗震性能目标四等级和抗震性能五水准）的规定，将本工程的抗震性能目标定为C级，在该抗震性能目标下，结构和构件在各地震水准下的性能细化，如表2所示。

表2 抗震整体性能指标C级设防水准小震中震大震性能水准 1 3 4层间位移角1/550 1/275 1/138开洞周边关键构件框架柱弹性抗剪弹性，抗弯不屈服轻中度破坏开洞周边框架梁弹性抗剪弹性，抗弯不屈服轻中度破坏周边楼板弹性弹性大震抗剪截面验算大洞口普通构件普通框部分构件中度损坏框架梁弹性或基本弹性架柱弹性抗剪不屈服，抗弯不屈服抗剪不屈服，抗弯部分处于有限屈服状态中度损坏，部分构件比较严重损坏，但不发生剪切破坏
5 结构分析及结果
本工程抗震性能设计内容如下：①按现行结构设计规范，进行小震作用下的抗震设计；②采用等效弹性的设计方法，对结构在中震、大震作用下的关键构件进行性能设计；③采用结构静力弹塑性分析方法（Pushover法），判断结构在中、大震作用下，能否满足C级抗震性能目标的要求，需要判断的主要内容：对结构的整体承载能力和位移变形能力进行判断；分析在地震作用下，结构位移是否满足弹塑性层间位移角限值（C级性能水准）；通过结构在性能点处的受力状态和塑性铰的分布情况，判断结构构件的弹塑性状态，是否满足性能目标的要求，由此确定结构的薄弱部位，并采取加强措施。

5.1 小震弹性分析
采用高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）SATWE进行结构整体
分析，采用结构分析设计软件Midas Building进行结构对比分析。

结构分析采用空间杆-墙元模型，以地下室顶板作为上部结构的嵌固端，结构计算不考虑竖向地震作用。

主要计算结果见表3，结构层间扭转位移比见图4和图5，由以上计算结果可见，由两种计算软件得到的结构整体计算的各项指标相差很小，且都满足相应规范要求；结构框架柱的轴压比和其它结构构件的强度及变形也满足规范要求，结构在多遇地震（小震）作用下能够达到性能水准1的要求。

表3 两种软件的弹性分析结果指标 SATWE MIDASBUILDING 规范限值总质量/t 41432.707 41150.059 -T1 1.6771（Y向平动） 1.6359（Y向平动）T2 1.6309（X向平动） 1.5656（X向平动）T3 1.4807（扭转） 1.3997（扭转）周期比
T3/T1 0.887 0.856 0.90基底剪力/kN X向地震 6078.37 5864.75 -Y向地震6360.85 6230.99剪重比 X向 2.32% 2.29% 1.6%Y向 2.42% 2.44%刚重比 X向20.93 21.87 20 Y向 20.73 21.74周期/s-X向地震 1/930（3层） 1/974（2F）最大层间位移角（所在楼层）Y向地震 1/1002（3层） 1/1044（2F）X向风荷载 1/2698（3层） 1/2889（2F）Y向风荷载 1/3589（3层） 1/3614（2F）
1/550 X+5% 1.19（2 层） 1.231（1 层）最大位移比X-5% 1.04（5 层） 1.010（5 层）Y+5% 1.06（2 层） 1.053（1 层）Y-5% 1.08（4 层） 1.076（4 层）不宜小于1.20不应小于1.40
图4 X向层间扭转位移比
图5 Y向层间扭转位移比
5.2 小震弹性时程分析
图6 主要自振周期点处规范反应谱与地震波平均反应谱对比图
本工程采用SATWE进行结构弹性时程分析，分析时采用5条实际地震记录加速度时程曲线和2条人工模拟的加速度时程曲线，天然波及人工波均采用SATWE 程序自带地震波。

从图6可以确认，各条地震波的平均谱和规范谱在前三个周期
点对应的地震影响系数相差较小，均不大于20%，可以满足抗规5.1.2条，“在统计意义上相符”的要求。

表4 基底剪力比较Shear-y/kN天然波 1（COU-3） 4475.9 74＞65 5043.7天然波 2（KAR-3） 6027.2 99＞65 6352.8天然波 3（TAF-2） 5864.6 96＞65 5966.8天然波 4（TH4TG035） 4445.5 73＞65 4648.9天然波 5（ELC-3）4341.1 71＞65 4869.9人工波 1（RH1TG035） 5257.6 86＞65 5786.8人工波2（RH2TG035） 4823.3 79＞65 5092.2平均值 5033.6 83＞80 5394.4地震波Shear-x/kN Shear-x/Q0-x%/%Shear-y/Q0-y%/% 备注100＞65 94＞65 73＞65 77＞65 91＞65 80＞65 85＞80 79＞65 1.Q0-x为CQC法计算所得的X向总地震基底剪力，Q0-x=6078.37kN；2.Q0-y为CQC法计算所得的Y向总地震基底剪力，Q0-y=6360.85kN；3.Shear-x:弹性时程分析所得的X向总地震基底剪力；4.Shear-y:弹性时程分析所得的Y向总地震基底剪力
图7 楼层剪力曲线
图8 层间位移角曲线
本工程振型分解反应谱法计算所得基底最大剪力大于7条地震波基底剪力的平均值。

因此在进行抗震设计时，可采用振型分解反应谱法计算结构的地震作用。

7条地震波时程曲线计算所得楼层位移平均值曲线无突变趋势，各地震波分析所得层间位移角曲线及楼层位移曲线均比较平滑，不存在突变现象，说明结构各层质量及刚度分布较为均匀。

各条地震波计算结果与振型分解反应谱法计算所得相应曲线趋势吻合，其平均楼层位移及平均层间位移角小于振型分解反应谱法计算结果。

时程分析的层间位移角平均值的最大值为1/980，满足规范要求。

5.3 结构中、大震性能设计（等效弹性方法）
按《高规》3.11.3条，在中、大震作用下，采用等效弹性的设计方法，对结构的关键构件进行性能设计。

结构在中、大震作用下，因部分结构构件进入塑性阶段，
结构的整体阻尼会增大，结构的周期也会增长；根据结构的加速度反应曲线，结构阻尼和自振周期的增加都会减小结构的地震力。

因此等效弹性方法通过增加阻尼比和折减连梁刚度，近似考虑结构阻尼的增加和刚度的退化。

进行结构等效弹性分析时，中震等效弹性分析，中震弹性，结构阻尼比取0.05，
周期折减系数取0.8，其余参数设定同小震计算，用此法设计关键构件的截面及配筋；中震不屈服，结构阻尼比取0.06，周期折减系数取1.0，地震作用效应不考虑与抗震等级相关的增大系数，荷载组合中各分项系数均为1.0,用此法设计关键构件的截面及配筋；大震等效弹性分析，结构阻尼比取为0.07，周期折减系数取1.0，地震作用效应不考虑与抗震等级相关的增大系数，荷载组合中各分项系数均为1.0,用此法验算所有竖向构件（框架柱）的抗剪截面。

5.4 楼板分析
因建筑功能要求，本结构在2～6层楼板均开设较大洞口，相应楼层楼板有效宽度小于该层楼板典型宽度的50%，为楼局部不连续。

由于楼板在结构中起着传递水
平力的作用，其余竖向构件尤其是筒体连接部位可能承受较大剪力。

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[1]第十一条第（八）款的规定：注意加
强楼板的整体性，避免楼板的削弱部位在大震下受剪破坏；当楼板在板面或板厚内开洞较大时，宜进行截面受剪承载力验算。

因此，采用PMSAP对主楼开设有较大洞口的2～6层楼板进行大震下的楼板应力分析，楼板采用真实反映楼板平面内及平面外刚度的壳元进行模拟，分析方法采用等效弹性方法（阻尼比为0.07）。

各
层楼板的应力分析结果如图9～图14所示。

由于楼板不连续，在地震力作用下，局部大开洞位置周边的楼板和局部薄弱连接部位的楼板均存在一定程度的应力集中，设计时，将这些部位的楼板加厚为150mm，双层双向配筋，拉通钢筋最小配筋率不小于0.25%，并根据楼板详细分析结果，
按照拉弯构件计算楼板配筋。

另外，楼板大洞口周边的梁截面普遍较大，程序计算
时梁为杆单元，未考虑其抗剪作用，实际情况应可分担部分水平剪力，设计中考虑为安全储备。

楼板在大震作用下的抗剪承载力验算，参考《抗规》附录E的方法。

对于150mm厚板：[V]=1/0.85×0.1×14.3×150×1000=252kN
由图9和图10可见，除个别部位楼板应力集中，楼板的最大剪应力
t=451.5kN/m2，Vmax=451.5×1×0.15=67.73kN≤[V]，楼板的抗剪承载力满足要求。

图9 2层楼板在地震作用下的剪应力云图（单位：kN/m2）
图10 3层楼板在地震作用下的剪应力云图（单位：kN/m2）
图11 4层楼板在地震作用下的剪应力云图（单位：kN/m2）
图12 5层楼板在地震作用下的剪应力云图（单位：kN/m2）
图13 6层楼板在地震作用下的剪应力云图（单位：kN/m2）
图14 屋顶楼板在地震作用下的剪应力云图（单位：kN/m2）
5.5 静力弹塑性分析（中大震）
中、大震作用下采用EPDA&PUSH进行结构静力弹塑性分析（Pushover分析），在EPDA&PUSH中使用ATC-40（1996）中提供的能力谱法（Capacity Spectrum Method,CSM）评价结构的抗震性能。

通过对结构荷载-位移曲线转化建立结构的能力谱曲线，由《高规》中的反应谱曲线（地震动参数见表1）变换为结构中、大震作用下的弹塑性需求谱曲线，将能力谱曲线和需求谱曲线绘制在同一图中，两曲线的交点即为结构在相应地震作用下的“抗震性能点”。

结构进行Pushover分析的参数如下：
（1）加载模式。

作用在结构高度方向的荷载分布形式（水平加载模式），应可以近似包络住地震过程的惯性力沿结构高度的实际分布。

EPDA&PUSH软件中提供
了4种加载模式：倒三角、矩形、实时模式和弹性CQC地震力。

本次分析在X向
和Y向采用常用的倒三角加载模式。

（2）塑性铰的指定及参数。

定义及分配铰特性值如表6所示。

表6 Pushover加载工况及加载参数分类名称铰功能铰类型分配位置梁铰 LJ 弯
矩-y,z FEMA 梁端I，J柱铰 ZJ P-My-Mz FEMA 柱上下端I，J
文中仅列出，X向弹塑性静力推覆结果如下。

采用倒三角加载模式，对结构在X方向进行静力弹塑性分析，结构基底剪力-顶点位移曲线如图15所示。

由图可见，各工况下的能力谱曲线较为平滑，位移与基底剪力基本呈线性增加；各工况下得到的能力谱曲线在设定位移范围内未出现下降段，表明结构抗推覆能力有一定富余。

图15 结构基底剪力-顶点位移曲线
中震作用下，结构在X方向的性能曲线如图16所示，能力曲线与需求曲线的交点[T（s）,A（g）]:1.892,0.049，性能点最大层间位移角为1/465，性能点基底剪力为10351.9kN，性能点顶点位移为55.8mm，性能点附加阻尼比：
0.022×1.00=0.022，与性能点相对应的总加载步号：24.8。

大震作用下，结构在X方向的性能曲线如图17所示，能力曲线与需求曲线的交点[T（s）,A（g）]:2.065,0.094，性能点最大层间位移角：1/200，性能点基底剪力为20015.6kN，性能点顶点位移为127.8mm，性能点附加阻尼比：
0.068×1.00=0.068，与性能点相对应的总加载步号：39.7。

图16 中震下X方向结构性能曲线
图17 大震下X方向结构性能曲线
本工程在第39.7加载步（大震下性能点处）所对应的结构杆端塑性状态如图18
所示。

图18 大震性能点处结构塑性铰示意图
本工程在中震和大震的性能点处，框架梁和框架柱均未出现塑性铰，在随后的侧向
加载过程中，塑性铰首先出现在层间位移角较大的楼层，首先出现在框架梁上，随着侧移的增加，塑性铰分布向上发展。

柱中塑性铰首先出现层间位移角较大的楼层，并逐步向下发展。

柱子中出现的均为弯曲铰，没有出现剪切型破坏。

通过上述分析，可知本工程结构总体可以满足所设定的抗震性能目标C的要求。

6 抗震加强措施
本工程为有多项不规则情况的复杂高层建筑。

因目前计算方法和计算软件的局限性，为保证结构设计能满足性能设计目标要求，采取了以下的抗震措施：
（1）结构抗震等级，框架为二级，对全部框架柱按中震弹性进行设计，并且保证柱纵向钢筋配筋率不小于2%，箍筋直径不小于10。

（2）通过下列措施提高结构楼板的抗震能力，加强结构楼板整体性。

加大大洞口周边楼板厚度（洞口两侧各两跨），增强该部位楼板面内刚度及强度，采用双层双向配筋，保证其厚度不小于150mm，并采用双层双向配筋，配筋率除满足计算要求外，单层最小配筋率不小于0.25%，钢筋直径不小10mm，间距不大于
150mm；洞口周边框架梁（洞口边梁）按中震弹性设计，增加框架梁腰筋和箍筋，提高框架梁的抗拉能力。

7 结语
根据本工程超限情况，对小震和大震作用下的性能水准进行了详细的计算分析和论证，表明结构满足设定的抗震性能目标，采取一定构造措施，可以为类似工程提供相关参考。

本工程已于2016年1月通过了吉林省超限结构审查。

参考文献
【相关文献】
［1］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［Z］.北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2015.
［2］吉林省住房和城乡建设厅.建设工程抗震超限界定标准：DB22/T480-2012［S］.吉林：吉林人民出版社，2012.
［3］中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.
［4］中国建筑科学研究院.建筑结构荷载规范：GB 50009-2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.
［5］中国建筑科学研究院.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.。