地震重点监视防御区的建筑减震设计要点——基于《建筑消能减震应用技术规程》的项目设计分析

2024-01-02




摘要:随着2021年9月《建设工程抗震管理条例》(以下简称“条例”)的实行,明确要求“两区八类建筑”即位于“高烈度地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机构、儿童福利机构、应急指挥中心、应急避难场所、广播电视八类建筑”应当按照国家有关规定采用隔震、减震等技术,保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。本文结合具体项目设计,对《建筑消能减震应用技术规程》(DBJ53\T-125-2021)(以下简称“技术规程”)中涉及结构计算的主要参数、指标进行了汇总、归纳,对不同减隔震方案、不同结构体系的计算结构进行了对比、分析。


作者:刘涛

一、项目概况拟建项目位于云南省昭通市,为多层小学综合楼,地上6层,底层三面设置挡土墙,临空一面设置单跨连廊与教学楼相接,主要层高为3.75m、4.55米、3.9米,建筑主要檐口高23.9米。一层建筑功能为开敞式停车库,二~六层为门厅、公共展示厅、教室、办公室等。项目地震设防烈度7度0.1g,第三组。根据地勘报告,根据等效剪切波速判定,场地类别为II类,设防地震场地特征周期为0.65s。经与地震部门查询,拟建项目位于地震重点监视防御区,需要采取减隔震措施,并按照要求进行设计。

二、设计目标及主要参数取值根据“技术规程”1.0.3条规定,本项目为“第一类抗震设防目标”,设计要求概括为“中震弹性、大震可修、罕震不倒”。相比以往的结构计算,主要区别在于要求结构承载力从小震弹性提高到中震弹性,提出了位移限值要求,确保在中震(设防地震)作用下,结构能满足正常使用要求,具体主要参数、要求如下:1、采用中震参与荷载组合计算,对应的材料性能采用强度标准值,钢筋强度考虑1.25的超强系数。构件正截面及斜截面承载力验算公式为:

GE+SEhk+0.4SEvk≤R

GE+0.4SEhk+SEvk≤R(竖向地震验算),

与《抗规》附录M中性能水准三基本相当;

2、地震影响系数αmax从小震的0.08变为中震的0.23;3、框架梁、柱、框支柱对应于抗震等级的弯矩增大系数、剪力增大系数不同于《抗规》,有单独规定;4、设防地震作用下弹性层间位移角限值[θe]=1/400;5、罕遇地震作用下弹塑性层间位移角限值[θp]=1/100;6、罕遇地震作用下减震器耗能占比应≥25%;7、消能部件提供的附加阻尼比不宜大于25%;根据以上参数,按照厂家提供的减震器数据,拟采用粘滞阻尼器,考虑到结构层数较多,减震器提供的附加阻尼按3%考虑。主体结构抗震等级按照小震取值,7度0.1g、乙类建筑为二级,周期折减系数取0.75。以结构单元左为例,经计算分析,中震及小震作用下主要结果对比如下:


中震(设防地震)主要指标项汇总(框架)



结构自振周期(s)

X

0.8365


Y

0.8629


T

0.7564

最小剪重比

X向

14.56% > [1.60%](1层1塔)


Y向

14.66% > [1.60%](1层1塔)

最大位移角(地震)

X向

1/400 > [1/400](3层1塔)


Y向

1/401 > [1/400](5层1塔)

最大位移比

X向

1.30 < [1.50](1层1塔)


Y向

1.16 < [1.50](1层1塔)

最大层间位移比

X向

1.31 < [1.50](2层1塔)


Y向

1.07 < [1.50](1层1塔)

小震(多遇地震)主要指标项汇总(框架)



结构自振周期(s)

X

0.8365


Y

0.8629


T

0.7564

最小剪重比

X向

5.84% > [1.60%](1层1塔)


Y向

5.93% > [1.60%](1层1塔)

最大位移角(地震)

X向

1/943 < [1/550](3层1塔)


Y向

1/978 < [1/550](5层1塔)

最大位移比

X向

1.30 < [1.50](1层1塔)


Y向

1.16 < [1.50](1层1塔)

最大层间位移比

X向

1.31 < [1.50](2层1塔)


Y向

1.07 < [1.50](1层1塔)


对比以上指标不难发现,结构在满足中震计算指标要求的情况下,小震计算结果远小于规范要求,说明相比未按规程执行的结构,其抗震性能有明显提升。另一方面,由于地震作用的增大,为满足规范对位移、截面验算等指标的要求,柱截面最大为800x800,两个山墙端部最大梁截面尺寸为350x1400,混凝土强度C40,主要框架梁纵筋配筋率约1.8%~2.2%、柱纵筋配筋率约2.3~2.8%,一方面经济性差,另一方面节点处钢筋太密,施工中也难以保证浇筑质量。三、结构方案优化由上文可知,本项目为中震计算结果控制,由于结构层数为6层,高度达到框架结构的适用临界线,采用减震方案,虽然能满足规范要求,但是经济性、施工性都不理想。可以尝试从以下两方面进行改进:1、调整结构体系。在不改变减震方案的前提下,结构形式改为框架-剪力墙结构,在合适的周边设置一定量剪力墙,控制底层框架部分分配倾覆弯矩比例占总倾覆弯矩的10%~50%,结构周期折减系数0.85。根据“规程”要求,中震下弹性层间位移角限值提高为1/500,大震(罕遇地震)作用下弹塑性层间位移角限值提高为1/200。虽然要求有所提高,但由于剪力墙抗侧刚度比框架大的多,可以有效减小梁柱截面尺寸。仍以“结构单元左”为例,改为框-剪体系后,主要计算结果如下:



中震(设防地震)主要指标项汇总(框-剪)



结构自振周期(s)

X

0.6951


Y

0.7402


T

0.6158

最大位移角(地震)

X向

1/506 > [1/500](7层1塔)


Y向

1/503 > [1/500](7层1塔)

最大位移角(风)

X向

1/6423 < [1/500](7层1塔)


Y向

1/9999 < [1/500](7层1塔)

最大位移比

X向

1.20 < [1.50](6层1塔)


Y向

1.02 < [1.50](6层1塔)

最大层间位移比

X向

1.21 < [1.50](6层1塔)


Y向

1.08 < [1.50](7层1塔)


2、调整采用隔震方案。由于一层是车库,正好可以利用一层的开敞空间作为隔震层,而不需另外增设,上部仍然采用框架结构体系。由于平面、立面比较规则,可以按照降低一度进行方案估算,地震影响系数αmax按0.12取值,周期折减系数按0.75取值,其余参数不变。同样以“结构单元左”为例,框架柱截面尺寸600x600,梁截面最大尺寸250x1000,就能满足变形要求。中震下主体减、隔震方案结构含钢量对比如下:


上部主体构件工程量对比






减隔震形式

板含钢量

(kg/m2)

梁含钢量

(kg/m2)

墙柱含钢量

(kg/m2)

总含钢量

(kg/m2)

混凝土用量

(m3/m2)

减震

8.70

23.04

14.67

46.41

0.262

隔震

8.76

20.19

9.85

38.80

0.231


四、结论综上,由于“条例”和“技术规程”的要求,“二区八类”的建筑在设防标准上有了较大提高,尤其是地震计算从小震提高到中震,使得地震作用提高大约2.8倍。因此当主体结构层数大于三层时,应优先采用隔震方案以期获得较小的构件尺寸和较好的经济性。当由于客观原因必须采用减震方案时,在结构体系上应优先选用侧向刚度较大的框架-剪力墙、剪力墙结构体系,以减小构件尺寸。

编辑制作:云南省城乡规划设计研究院信息中心




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