框架结构抗震设计思路探究

框架结构抗震设计思路探究

戴亚詹镇平

1.深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广东深圳518000

2.深圳市清华苑建筑设计有限公司广东深圳518000

摘要：本文结合实例对设计使用年限为100年、建筑抗震设防类别为重点设防类的框架结构进行基于性能的抗震设计。根据选定的结构构件性能指标，采用两种结构计算分析软件进行小震、中震、大震下的结构线弹性、静力弹塑性分析，以保证结构抗震性能目标的实现。

关键词：重点设防类；型钢混凝土框架结构；结构抗震性能化设计

1.结构概况

某建筑地下一层，地上局部六层，建筑面积40000m2。平面为88m×88m的正方形，柱网尺寸为8米，各层层高4.8m。建筑抗震设防类别为重点设防类（简称乙类），设计使用年限为100年，所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第二组。场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.40s。

1.1结构型式

由于建筑功能的特殊要求，考虑到楼面荷载较大，楼层层高较高的特点，经方案比较，本工程结构型式最终确定为型钢混凝土框架结构，其中框架梁组合构件采用工字型截面型钢，框架柱采用十字型截面型钢。标准层结构平面图如图1-1所示。

图1-1标准层结构平面图

1.2结构主要构件尺寸

2.荷载及作用

2.1风荷载

项目所在城市基本风压：重现期为100年时kN/m2，重现期为50年时kN/m2，重现期为10年时kN/m2。

2.2地震作用

根据《抗规》[1]规定，对设计使用年限超过50年的结构，其地震作用需做适当调整。参考《设计通则》[2]内容，本工程地震危险性特征分区为Ⅱ区，地震动参数分区为4区，场地设计谱的特征周期为0.4s，场地设计谱的最大值=2.25。各阶段地震作用下地震设计参数如表2.2-1所示。

3.性能目标

抗震性能目标是指在设定的地震作用下结构的预期性能水准。通常是在业主和结构设计师协商的基础上，确定结构性能，由结构设计人员选择适当的设计和计算方法对结构及构件进行设计，并确认结构具有确定的结构性能。现行《抗规》提出4个性能目标等级、3个地震水准、7个性能水准，详细定义了各个性能目标下对应的结构宏观破坏程度、承载力验算、材料强度取值及层间位移参考指标。7个性能水准分别为：小震完好、中震完好、基本完好、轻-中等破坏、轻微损坏、中等破坏、不严重破坏。

《设计通则》把抗震建筑按使用功能分为四类，对应不同的地震动水平，规定了建筑的最低抗震性态要求。结构性能水平分为四个阶段：充分运行、基本运行、生命安全、接近倒塌。经综合考虑，本工程结构性能目标设定如表3-1所示：

结构在多遇地震作用下保持弹性：结构构件承载力和层间位移均满足《抗规》要求，构件满足弹性设计要求，抗震构造措施满足《抗规》要求。该阶段设计表达式为：

式中：S——结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；

R——结构构件承载力设计值；

——地震作用下结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；

——承载力抗震调整系数，按《抗规》选用。

设防烈度地震作用下保持弹性：不考虑地震组合内力调整系数，但考虑荷载作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，框架柱、框架梁承载力满足中震计算弹性。该阶段设计表达式为：

罕遇地震作用下不屈服：不考虑地震组合内力调整系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，荷载作用分项系数均取1.0。框架柱、框架梁允许承载力接近屈服阶段，但不发生剪切等脆性破坏，构件的抗震构造满足延性要求。该阶段设计表达式为：

式中：——地震作用下结构构件内力标准组合的设计值，包括组合的弯矩、剪力、和轴向力设计值等；

——结构构件承载力设计值，其中材料强度取用标准值，材料分项系数取为1.0。

4.结构分析

按《抗规》要求，结构的抗震等级为一级，按《设计通则》要求，结构抗震设计类别为D类。地震作用下结构构件内力调整系数如表4-1所示：

结构分析分别采用中国建筑科学研究院PKPM系列的SATWE、PMSAP和美国CSI公司的ETABS2013.1.4中文版进行计算，水平地震作用计算方法为振型分解反应谱法。

多遇地震作用下，采用弹性分析。由软件自行判断最不利作用方向。周期折减系数取值0.80以考虑非结构构件对刚度的影响。结构阻尼比取值=0.05。地下一层与地上一层剪切刚度比为3.2（X向）、2.9（Y向），地下室顶板为上部结构的嵌固部位。地上结构主要分析结果见表4-2所示：

注：1.Ratx1、Raty1为X、Y方向本层侧移刚度与上一层侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小值。

多遇地震作用下，验算结果表明结构构件均处于弹性状态。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-1、图4-2所示。

图4-1层间位移角曲线图

图4-2楼层剪力曲线图

设防烈度地震作用下，采用弹性分析。周期折减系数取值1.0，结构阻尼比取值=0.05。结构分析结果见表4-3所示：

设防烈度地震作用下，验算结果表明，第二层中庭24m跨普通钢筋混凝土井字梁在框架柱端处8个截面抗剪承载力超限，对超限构件采取设置通长型钢后，抗剪承载力满足弹性设计要求。8根门廊处普通钢筋混凝土框架柱（400×400）纵向钢筋配筋率超限，对超限构件采取调整截面措施。其余主要构件均满足弹性设计要求。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-3、图4-4所示。

图4-3层间位移角曲线图

图4-4楼层剪力曲线图

罕遇地震作用下，采用增加阻尼的等效线性化方法分析。周期折减系数取值1，10，结构阻尼比取值=0.06。结构分析结果见表4-4所示。

罕遇地震作用下，验算结果表明少量框架柱抗剪承载力及抗弯承载力接近屈服承载力，第二层中庭24m跨普通钢筋混凝土井字梁在框架柱端处8个截面抗剪承载力超限，对超限构件采取设置通长型钢后，抗剪承载力满足弹性设计要求。楼层剪力与层间位移角分析结果如图4-5、图4-6所示。

在倒三角形荷载作用下，分别对结构进行X向、Y向大震作用下弹塑性静力分析。需求谱采用调整后的规范反应谱。以X向分析结果为例，结构的能力曲线、需求曲线见抗倒塌验算见图4-7所示。能力曲线与需求曲线交点[T（s），A（g）]为0.601，0.429。性能点最大层间位移角为1/319，性能点基底剪力为171274.5kN。分析结果表明，大震作用下的结构变形性能满足性能目标要求。

图4-7结构的能力曲线、需求曲线见抗倒塌验算

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]CECS160：2004建筑工程抗震性态设计通则[S].北京：中国计划出版社，2004.

作者简介：

戴亚1（1990年9月），男，汉族，广东，学士学位，研究方向：建筑结构。

詹镇平2（1985年.9月），男，汉族，广东，工学学士学位，研究方向：建筑结构。