3-3#楼男生宿舍-抗震设计专篇

第1章工程概况及性能目标的确定1.1工程概况本工程为中学项目，位于，项目北临肖家沟西支路，南侧临肖家沟南路，配套设施完善，交通便利，本项目为发展有限公司代建设。项目周边多为地区高端住宅小区，环境优美。项目用途主要用于学校及配套用房。项目用地69795.71㎡,总建筑面积约66552.69m2，地上建筑面积53876.43㎡，地下建筑面积12676.26㎡，暂定办学规模为84班（其中初中54班，高中30班）。由1#教学楼（1-1#、1-2#、1-3#、1-4#）、2#报告厅及食堂、3#4#为高中教学楼及宿舍（3-1#、3-2#、3-3#、4-1#、4-2#）、5#楼校门、6#楼风雨操场及车库组成，各楼栋均属于单、多层公共建筑，风雨操场、车库均在室外操场下方，车库属于I类汽车库。除风雨操场设一层地下室外，地上其余各单体均不设地下室。地上各单体高度均不超过10层且小于24米，均不属于高层建筑。本项目地上各单体的设计工作年限为50年，抗震设防类别为乙类（除5#楼校门为丙类），建筑结构安全等级为一级（5#楼校门为二级）。1.2设计所依据的主要标准、规范及规程1、《工程结构通用规范》GB55001-20212、《建筑与市政工程抗震通用规范》GB55002-20213、《建筑与市政地基基础通用规范》GB55003-20214、《混凝土结构通用规范》GB55008-20215、《建筑结构荷载规范》GB50009-20126、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)7、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)8、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-20109、《砌体结构设计规范》GB50003-201110、《建筑抗震设防分类标准》GB50223-200811、《建筑地基基础设计规范》GB50007-201112、《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-201813、《建筑边坡工程技术规范》GB50330-201314、《组合结构技术规程》JGJ138-201615、《建筑桩基技术规范》JGJ94-200816、《建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018年版)17、《重庆市建筑地基基础设计规范》DBJ50-047-201618、《公共建筑节能（绿色建筑）设计标准》DBJ50-052-202019、《建筑工程抗浮技术标准》JGJ476-201920、《预应力混凝土结构设计规范》JGJ369-201621、《钢结构设计标准》GB50017-201722、《山地建筑结构设计标准》JGJ/T472-202023、住房城乡建设部关于印发《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知（建质量【2015】67号）24、《建设工程抗震管理条例》中华人民共和国国务院令（第744号）25、《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》26、重庆中科勘测设计有限公司2020年8月提供的《鱼嘴农转非安置房三期工程（详细勘察）》工程地质勘察报告27、甲方与我设计院签订的设计合同与相关委托及设计任务书28、其他应遵循的国家、地方规范和规程。1.3荷载及作用效应组合1.3.1楼、屋面活荷载序号荷载类别标准值备注1上人屋面2.0kN/m22不上人屋面0.5kN/m23露台3.5kN/m24教室、办公室2.5kN/m25阳台、走廊、门厅3.5kN/m2可能出现人员密集6楼梯、电梯间3.5kN/m27卫生间2.5kN/m28电梯机房8.0kN/m29栏杆水平荷载1.5kN/m2（学校栏杆水平荷载1.5kN/m；学校栏杆竖向荷载1.2kN/m。）10食堂、餐厅、实验室、会议室3.0kN/m211其它未列项目见现行规范、规程及标准的荷载1.3.2风荷载根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，本工程位于重庆市两江新区，基本风压取50年一遇基本风压值：ω0=0.40kN/m2，舒适度计算时取10年一遇基本风压值：ω0=0.25kN/m2房屋高度均小于60m，承载力设计时按基本风压1.0倍采用。阻尼比：荷载和承载力计算时取0.05，加速度和舒适度计算时取0.02。1.3.3地震作用1.3.1.1地震动参数设计基本地震加速度：0.05g（按中震防发[2009]49号文件提高为0.10g计算）设计地震分组：第一组场地类别:I0类场地特征周期：0.20s多遇地震水平地震影响系数最大值：αmax=0.08设防地震水平地震影响系数最大值：αmax=0.23罕遇地震水平地震影响系数最大值：αmax=0.50中震弹塑性时程分析用地震加速度最大值：αmax=50cm/s2大震弹塑性时程分析用地震加速度最大值：αmax=125cm/s21.3.1.2建筑抗震设防分类依据《建筑抗震设防分类标准》GB50223-2008和《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016年版)，1#楼教学楼、2#学术报告厅及食堂、3#教学楼及宿舍、4#教学楼及宿舍，6#楼风雨操场及车库，建筑抗震设防分类均为重点设防类（乙类）；5#楼校门抗震设防分类为标准设防类（丙类）。1.3.1.3建筑抗震设防标准依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）(2016年版)及中国地震局文件中震防发[2009]49号文要求，本地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。3-3#楼男生宿舍按本地区抗震设防烈度提高1度按7度（0.1g）进行设计，带少量框架的剪力墙结构，框架及剪力墙抗震等级均取为四级。1.3.4荷载作用组合1.3.4.1弹性阶段作用效应组合在弹性阶段抗震设计进行构件承载力验算时，其荷载或作用的分项系数按下表，取各构件可能出现的最不利组合进行截面设计。序号荷载组合工况恒荷载活荷载风地震不利有利不利有利水平竖向1恒载+活载1.31.01.50.0———2恒载+活载1.01.01.50.0———3恒载+活载+风1.31.01.50.00.6×1.5——4恒载+活载+风1.31.01.50.01.5——5重力荷载+水平地震1.31.00.5×1.20.5—1.4—6重力荷载+水平地震+风1.31.00.5×1.20.50.2×1.51.4—1.3.4.2中震不屈服在中震地震作用下，结构构件不屈服。计算中不考虑地震内力调整，不考虑风荷载参与组合；荷载分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数均取为1.0。即除了不考虑地震内力调整的有关规定外，此种情况下属于荷载标准组合值对材料标准值的设计检查关系，如下：（无地震作用组合）或（有地震作用组合）。上式中即为荷载效应的标准组合，如下表所示，则对应于未考虑分项系数的材料强度标准值。荷载或作用的分项系数与标准值组合系数。荷载组合工况恒荷载活荷载风载地震不利有利不利有利水平竖向恒载+活载+水平地震1.01.00.5×1.00.5×1.0—1.0—1.3.4.2中震弹性即中震地震作用下，结构构件保持弹性。计算中不考虑风荷载参与组合，不考虑地震内力调整，作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数均按规范取值。序号荷载组合工况恒荷载活荷载风载地震不利有利不利有利水平竖向1恒载+活载1.31.01.50.0———2恒载+活载1.31.01.50.0———3重力荷载+水平地震1.31.00.5×1.50.5—1.4—1.4地质情况简述1.4.1地基土的构成与特征根据陕西地矿第二工程勘察院有限公司于二0二三年七月提供的本工程拟建场地《星湖中学项目地质勘察工程地质勘察报告》（详细勘察），勘探揭露：本场区原始地貌为浅丘斜坡地貌，拟建场地经人为开挖堆填，多处形成陡坎斜坡。拟建场地主要分层描述及分布特征如下：（1）第1层为素填土：杂色，主要由砂岩、泥岩碎石、块石及粉质粘土组成结构松散～稍密，稍湿。场地范围及周边开挖整平回填，机械抛填，回填时间约6年。（2）第2层为粉质粘土：褐黄色，可塑状，切面稍有光泽，无摇震反应，干强度及韧性中等，该层在场地零星分布。（3）第3层为泥岩：紫红色、暗紫色，泥质结构，中～厚层状构造，主要由粘土矿物组成；中等风化岩体较完整，强度中等，质较硬，节理裂隙不发育，为场地的主要岩层。（4）第4层为砂岩：灰白色、浅灰色，中-粗粒粒状结构，厚层状构造，主要由长石、石英、云母等组成，强风化带呈黄褐色，强度低，风化裂隙发育，为场地的次要岩层。（5）第5层为泥质砂岩：浅灰色、浅黄色，细粒粒状结构，中～厚层状构造，矿物成分以石英为主，长石次之并含云母等矿物，质软，中风化岩体较完整，为场地的次要岩层。主要土层的性质、承载力参数如下岩、土名称岩石单轴抗压强度标准值(MPa)天然重度(kN/m3)地基承载力特征值（kPa）岩土体抗剪强度参数备注c(kPa)φ(°)天然饱和素填土//天然20*饱和21*/天然5*饱和2*天然26*饱和23*带*号者为经验值粉质粘土//天然18.8饱和19.0150*天然18.3饱和15.2天然10.6饱和9.5强风化泥岩//24.6*300*//中等风化泥岩5.23.2天然25.6饱和25.8无水浸泡1887.6313.528.51水浸泡1161.6强风化砂岩//22*500*//中等风化砂岩23.216.9天然25.6饱和25.76134.71319.5531.88强风化泥质砂岩//24.7*350*//中风化泥质砂岩12.68.7天然25.2饱和25.4无水浸泡4573.8723.930.81水浸泡3217.51.4.2场地及地基的地震效应3-2#楼场地的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，所属的设计地震分组为第一组，场地类别为I0类。按《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008规范规定，本次拟建项目为学校，整个拟建场地均为乙类建筑（除5#楼校门），属重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施。拟建场地经整平到设计高程后，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)（2016年版）对各拟建物地震效应评价见下表。地震效应评价一览表拟建物（括号里面为地勘楼栋）经平整后覆盖层最大厚度（m）剪切波速υs值（m/s）场地土类型场地类别设计特征周期建筑抗震地段类别计算孔号填土厚度粉质粘土厚度等效剪切波速1-1#教学楼（1#楼）9.1ZK1268.01.1128.68软弱土Ⅱ0.35s一般地段1-2#教学楼（2#楼）8.5ZK1338.50125.70软弱土Ⅱ0.35s一般地段1-3#教学楼(3#楼)1.1ZK1361.10125.70软弱土Ⅰ10.25s一般地段1-4#教学楼(4#楼)0/00＞800岩石Ⅰ00.20s有利地段2#报告厅\食堂（5#楼）0/0.00＞800岩石Ⅰ00.20s有利地段3-1#教学楼（6#楼）3.2ZK2062.11.1134.56软弱土Ⅱ0.35s不利地段3-2#教学楼（7#楼）0/0.00＞800岩石Ⅰ00.20s有利地段3-3#男生宿舍（8#楼）0/0.00＞800岩石Ⅰ00.20s有利地段4-1#教学楼（9#楼）3.3ZK2343.30125.70软弱土Ⅱ0.35s不利地段4-2#女生宿舍（10#楼）0/0.00＞500软质岩石Ⅰ10.25s不利地段5#楼学校大门（学校大门）0/0.00＞800岩石Ⅰ00.20s有利地段6#楼风雨操场及车库（车库B1F/车库-1F）28.1ZK1928.10125.70软弱土Ⅲ0.45s不利地段0/0.00＞800岩石Ⅰ00.20s有利地段1.4.3地表水和地下水作用评价场地属剥蚀浅丘地貌，整体东侧高、西侧低，有利于地表水体顺地势往低处以地表径流等方式排走。拟建场地勘察期间测得地下水位，地下水位高程272.70m～278.30m，远低于场地最低整平标高，可不进行抗浮设计。场区内地下水对II类场地环境混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性；在长期浸水环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。1.5性能目标的选取依据国务院2021年7月19日公布，2021年9月1日起实施的《建设工程抗震管理条例》中第十六条“位于高烈度设防地区、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、广播电视等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。”经对重庆市住房和城乡建设委员会咨询后得知重庆市全域均处于地震重点监视防御区内。本工程为学校，根据《建设工程抗震管理条例》第十六条，应当按照国家有关规定采用相关技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。为进一步贯彻落实《建设工程抗震管理条例》，参考由清华大学和广州大学主编的《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》进行性能目标的选取。《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》3.1.1条规定，地震时正常使用建筑分为I类建筑和II类建筑，其分类按照下表进行。表1.5.1地震时正常使用建筑分类建筑类型建筑I类应急指挥中心建筑；医院主要建筑；应急避难场所建筑；广播电视建筑II类学校建筑；幼儿园建筑；医院附属用房；养老机构建筑；儿童福利机构建筑学校建筑可划分为II类建筑，按“导则”中3.1.2的规定选取的性能目标如下表。表1.5.2II类建筑正常使用的性能目标构件类型设防地震罕遇地震结构构件基本完好或轻微损坏轻度或中度损坏总体性能目标无需修理可继续使用适度修理可继续使用注：结构构件根据功能、作用、位置及重要性等可分为关键构件、普通竖向构件、重要水平构件和普通水平构件。关键构件是指构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏。普通竖向构件是指关键构件之外的竖向构件；重要水平构件是指关键构件之外不宜提早屈服的水平构件，包括对结构整体性有较大影响的水平构件，承受较大集中荷载框架梁、抗震墙连梁，承受竖向地震的悬臂梁，以及消能减震结构中消能子结构的框架梁等。普通水平构件包括一般的框架梁、抗震墙连梁等。完好，即构件保持弹性状态；基本完好，即构件基本保持弹性状态；轻微损坏，即构件可能出现轻微的塑性变形，但不影响正常使用；轻度损坏，即构件达到屈服状态，但不出现明显的塑性变形；中度损坏，即构件出现明显的塑性变形，但控制在适度修理可继续使用的范围。表1.5.3混凝土结构构件预期性能目标简表地震水准设防地震罕遇地震层间位移角限制1/5001/200楼面水平加速度限值(g)0.45-1.6结构分析软件及方法表1.6结构分析软件及分析方法YJKS5.2.1SAUSAGE2023YJKS5.2.1SAUSAGE2023CQC弹性弹塑性时程分析CQC等效弹性弹塑性时程分析/主体结构弹性/主体结构弹塑性注：时程分析法采用SAUSAGE软件提供的直接积分法-修正的中心差分法。1.7技术路线设防采用振型分解反应谱法（弹性方法）进行分析，依据《建筑抗震设计规范》并结合《建设工程抗震管理条例》：(1)通过结构布置，进行抗震概念设计，避免平面及竖向不规则；(2)按7度（αmax=0.08）进行小震下的建模计算，根据计算指标，判断结构的抗震合理性，将7度（αmax=0.08）小震下带配筋的计算模型导入SAUSAGE软件，进行中、大震正常使用的性能目标验算。(3)进行本地区设防地震6度（αmax=0.12）下的弹塑性时程计算并进行中、大震下的性能目标验算；若第（2）步中的模型不满足中震性能目标，则调整YJK模型，按设防地震6度（αmax=0.12）的进行计算并输出。(4)将步骤（3）中输出的设防地震6度（αmax=0.12）带配筋模型导入SAUSAGE软件，进行本地区中、大地震下的性能目标验算，若不满足性能目标，调整模型直至满足中、大震正常使用的性能目标。第2章结构布置及规则性判定2.1结构布置结构平面布置如下图所示图2.1.13-3#楼典型楼层平面布置图2.2结构的抗震缝设置3-3#楼男生宿舍不设置结构缝，嵌固部位为基顶。2.3.1不规则的主要类型不规则类型定义和参考指标平面不规则扭转不规则考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2凹凸不规则平面凹凸尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%楼板局部不连续有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%或开洞面积大于该楼层面积的30%,或较大的楼层错层竖向不规则侧向刚度不规则本层侧移刚度小于相邻上一层侧移刚度的70%或小于相邻上三层侧移刚度平均值的80%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上一层的比值小于80%平面及竖向不规则的主要类型2.3.2不规则性判定平面规则性判定：3-3#楼男生宿舍不存在平面不规则情况。竖向规则性判定：首层存在掉层结构。第3章多遇地震下的计算结果本工程采用YJKS（5.2.1）进行整体计算。3.1结构分析输入的主要计算参数3-3#楼男生宿舍YJK模型三维示意图如下图：小震弹性分析采用如下参数：结构计算参数结构层数6混凝土容重（kN/m3）26嵌固位置基顶结构类型剪力墙结构设防烈度7场地土类别I0设计地震分组一组多遇地震影响系数最大值0.08特征周期0.20全楼地震作用放大系数1结构阻尼比0.05连梁刚度折减系数/中梁刚度放大系数梁刚度放大系数按《砼规》5.2.4条取值地震活荷载折减系数不折减周期折减系数0.9地震力振型组合数满足质量参与系数大于95%所需要数量地震力计算考虑双向地震、考虑偶然偏心地震力夹角0度、30、90度、程序自动计算最不利方向0.2Q调整起算/终止层号1至6框架柱/抗震墙抗震等级四级刚性楼板假定整体指标采用强制刚性板假定，其他采用非强刚是否考虑P-Δ效应否楼层刚度算法楼层刚度比基本风压（kN/m2）0.403.2多遇地震作用下结构主要计算结果1、结构质量分布分析楼层YJK计算结果恒载质量（t）活载质量（t）层质量（t）质量比62000.0103.02103.01.21051624.8112.91737.70.91241778.0128.31906.30.99431793.0125.41918.41.04721712.7119.21831.91.01311687.7121.11808.81.000从上表中可知：质量比满足规范要求。2、动力特性分析下表分别给出YJK软件分析得到的结构周期及扭转周期比。振型YJK结果周期（s）振型性质10.7607平动（X）20.5742平动（Y）30.5387扭转（T）Tt/T10.71结构振型模态振型模态图YJK结果T1=0.7607T2=0.5742T3=0.5387从上表可知，结构前三阶振型分别为平动(X)、平动及扭转(Y)，结构的第一扭转周期与第一平动周期之比为0.71＜0.90，满足规范要求。3、位移、位移角和扭转位移比分析位移角和扭转位移比结果汇总于下表：表3.1.1结构位移角和扭转位移比X方向风作用满足1/99991/1000满足地震作用满足1/29461/1000满足Y方向风作用满足1/99991/1000满足地震作用满足1/39161/1000满足分析上表数据可知：地震作用、风荷载作用下结构的层间最大位移角均小于规范规定的最大值1/1000，且有一定的富余；扭转位移比小于1.4，扭转不规则程度小。4、地震剪力系数分析本工程根据多遇地震反应谱计算剪重比数值见下表。表3.1.2楼层剪重比计算结果楼层YJK（%）X向Y向12.102.63根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.2.5条，第一周期大于于5秒且扭转效应明显的结构，最小楼层剪力与该层上累积的地震质量的比值不应小于最小地震剪力系数λ为0.006。结构剪重比满足规范要求，无需调整。5、整体稳定性和刚度比分析1）整体稳定性分析下表给出YJK计算得到的塔楼刚重比。表3.1.3刚重比计算结果软件楼层X向规定水平力Y向规定水平力YJK（刚重比）113.5121.41由上表可知，结构能够，满足抗规（3.6.3）的要求，故不考虑重力二阶效应的不利影响。2）侧向刚度比分析根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）3.4.3条关于结构侧向刚度的规定：本层与相邻上层的侧向刚度比不小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8。下表列举了结构的楼层最小刚度比计算结果，其结果满足规范要求，整个结构不存在软弱层。表3.1.4楼层侧向刚度比计算结果楼层YJKX向Y向61.01.06、楼层受剪承载力《抗规》3.4.3条规定：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层受剪承载力的80%时，为楼层承载力突变，从下表可以发现楼层受剪承载力满足规范要求，不存在薄弱层。表3.1.5楼层受剪承载力层号塔号X向承载力(kN)Y向承载力(kN)本层/上层（X）本层/上层（Y）616881.111489.31.001.00516935.511828.81.011.03418618.013152.01.241.113110671.614606.61.241.112111415.616381.11.071.121113863.819099.41.211.177、多遇地震计算结果汇总表3.1.6楼层受剪承载力控制参数周期（S）及周期比最大层间位移角T1T2T3Tt/T1X向地震Y向地震X向风载Y向风载计算值0.76070.57420.53870.711/29461/39161/99991/9999规范值周期比不应＞0.9框架结构△u/h限值：1/1000控制参数最小剪重比(%)刚重比位移比（最大）X向Y向X向Y向X向地震Y向地震计算值2.102.6313.5121.411.121.05规范值≥1.6%宜＞20、应＞10不宜＞1.2，不应＞1.5备注X向调整系数：1.000Y向调整系数:1.000控制参数有效质量系数(%)最大轴压比楼层抗剪承载力比（最小值）(%)X向Y向柱墙X向Y向计算值98.2596.100.670.861.01.0规范值应≥90%宜＜0.90（四级）宜＜0.90本层宜＞80％（相邻上层）、应＞65％（相邻上层）控制参数楼层与相邻上层的侧向刚度比楼层与相邻上三层侧向刚度平均值的比本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，本层与相邻上层的侧向刚度比X向Y向X向Y向X向Y向计算值1.01.01.01.0//规范值本层宜＞0.7（相邻上层）本层宜＞0.8（相邻上三层的平均值）本层宜＞1.1（相邻上层）嵌固层位置基顶控制参数地下一层与首层侧向刚度比X向Y向计算值//规范值宜≥2.0宜≥2.03.3多层结构不规则判断表3-3#楼剪力墙结构，结构的规则性分析按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)（2016年版）第3.4节有关内容进行分析。部分判断项参考《重庆市超限高层建筑工程界定规定（2020年版）》和重庆市钢筋混凝土高层建筑工程结构抗震超限情况判定表（2020年版）进行辅助判断。表3.1.7平面及竖向不规则项判定表不规则类型判定项目结论（1）扭转不规则A.位移比1.18<1.2；✔（2）凹凸不规则（含平面长宽比较大）A.单侧凹进(凸出)和两侧凹进(凸出)✔（3）楼板局部不连续A.有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%：无B.开洞面积大于该层楼面面积的30%：无C.错层楼层：无；✔（4）侧向刚度不规则（含尺寸突变）A.楼层侧向刚度比与相邻上层侧向刚度的比值：＞70%；B.楼层侧向刚度比与上相邻三层侧向刚度的平均值的比值：>80%；C.不存在上部楼层收进；✔（5）竖向抗侧力构件不连续A.不存在竖向构件间断、转换等情况；✔（6）楼层承载力突变A.层间受剪承载力与相邻上层受剪承载力比值＞80%;✔超限0项判定为不超限。✔3.4多遇地震计算小结多遇地震作用下结构弹性反应谱分析的主要结论如下：（1）结构楼层的质量沿高度分布较为均匀，满足高规3.5.7的要求。（2）从周期和振型结果可以发现结构在两个方向的动力特性接近。（3）结构位移比、剪重比、刚重比、楼层侧向刚度比、楼层受剪承载力比均满足规范要求。第4章设防震作用下的结构性能设计及评价4.1弹塑性分析的目的根据《基于保持建筑正常使用功能的抗震计算导则》3.2.2规定：地震时保持正常使用功能建筑应基于设防地震进行承载力设计，并进行设防地震和罕遇地震作用下的结构变形和楼面水平加速度验算。3.2.4条规定：地震时保持正常使用功能建筑应进行结构弹塑性时程分析，计算设防地震和罕遇地震作用下的结构层间位移和楼面水平加速度。通过弹塑性分析，拟达到以下目的：1、对结构在中震下的非线性性能给出定量（性）解答，研究本结构在中地震作用下的变形形态、构件的塑性及其损伤情况，以及整体结构的弹塑性行为，具体的研究指标包括最大顶点位移、最大层间位移及最大基底剪力等；2、对结构的楼面水平加速度进行验算；3、根据以上研究成果，对结构的抗震性能给出评价，并对结构设计提出改进意见和建议。4.2弹塑性分析的方法目前常用的弹塑性分析方法从分析理论上分有静力弹塑性（push-over）和动力弹塑性两类，从数值积分方法上分有隐式积分和显式积分两类。本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应，具有如下优越性：（1）完全的动力时程特性：直接将地震波输入结构进行弹塑性时程分析，可以较好地反映在不同相位差情况下构件的内力分布，尤其是楼板的反复拉压受力状态；（2）几何非线性：结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，“P-∆”效应，非线性屈曲效应等都被精确考虑；（3）材料非线性：直接在材料应力-应变本构关系的水平上模拟；（4）采用显式积分，可以准确模拟结构的破坏情况直至倒塌形态。4.3弹塑性分析软件计算软件采用由广州建研数力建筑科技有限公司开发的新一代“GPU+CPU”高性能结构动力弹塑性计算软件SAUSAGE（SeismicAnalysisUsage），它运用一套新的计算方法，可以准确模拟梁、柱、支撑、剪力墙（混凝土剪力墙和带钢板剪力墙）和楼板等结构构件的非线性性能，使实际结构的大震分析具有计算效率高、模型精细、收敛性好的特点。SAUSAGE软件经过大量的测试，可用于实际工程罕遇地震下的性能评估，具有以下特点：（1）未作理论上的简化，直接对结构虚功原理导出的动力微分方程求解，求解结果更加准确可靠；（2）材料应力-应变层级的精细模型，一维构件采用非线性纤维梁单元，沿截面和长度方向分别积分。二维壳板单元采用非线性分层单元，沿平面内和厚度方向分别积分。特别地，楼板也按二维壳单元模拟；（3）高性能求解器：采用Pardiso求解器进行竖向施工模拟分析，显式求解器进行大震动力弹塑性分析；（4）动力弹塑性分析中的阻尼计算创造性地提出了“拟模态阻尼计算方法”，其合理性优于通常的瑞利阻尼形式。4.4设防地震下弹塑性时程分析根据《建设工程抗震管理条例》，采用弹塑性时程分析进行设防地震下的性能目标分析。4.4.1设防地震下弹塑性层间位移角验算计算设防地震作用时，特征周期同多遇地震。按导则4.1.3条:6度和7度（0.10g）区的II类建筑的地震作用，应考虑1.2的超设防烈度调整系数。表4.4.1风雨操场及车库所选地震波信息BigBear-01-N0-934Chi-Chi,Taiwan-02-NO-2184GUZ2-1广州人工波地震波峰值加速度取60cm/s2，并考虑双向地震影响即：主方向、次方向的峰值加速度按照1：0.85的比例调整。图4.4.1TRB1平均反应谱与设计反应谱统计意义比较图4.4.2TRB2平均反应谱与设计反应谱统计意义比较图4.4.3RGB1平均反应谱与设计反应谱统计意义比较由上图可知，在主震周期上的反应谱谱值，单条波与规范谱的误差在35%以内，平均值与规范谱的误差在20%以内。满足规范规定的多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应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的要求。表4.4.2设防地震弹塑性层间位移角工况主方向类型最大顶点位移最大层间位移角位移角对应层号GUZ2-1广州人工_XX主向弹塑性0.0071/17546BigBear-01_XX主向弹塑性0.0101/15424Chi-Chi_Ta_XX主向弹塑性0.0101/14873GUZ2-1广州人工_YY主向弹塑性0.0081/18246BigBear-01_YY主向弹塑性0.0071/19366Chi-Chi_Ta_YY主向弹塑性0.0101/14796层间位移角图4.4.3设防地震弹塑性层间位移角由图4.4.3可知，设防地震下3-3#楼男生宿舍X向和Y向最大层间位移角分别为1/1487、1/149，均满足导则对设防地震下弹塑性层间位移角1/500限制要求。4.4.2设防地震下楼面水平加速度验算图4.4.4楼层加速度曲线由图4.4.4可见，X向楼层最大加速度为0.668299m/s2，Y向楼层最大加速度为0.789301m/s2,，均满足《导则》II类建筑设防地震的加速度限值。4.5设防地震作用下结构性能评价通过SAUSAGE软件，进行本地区设防地震6度（0.12g）下的弹塑性时程计算，进行设防地震下的性能目标验算；若按照7度（0.1g）多遇地震下的配筋及截面计算结果导入SAUSAGE软件，进行中震性能目标验算不满足中震正常使用的要求时，调整YJK模型，并按设防地震6度（0.12g）进行配筋及截面计算。将按设防地震6度（0.12g）进行配筋及截面的计算模型再导入SAUSAGE软件，进行本地区设防地震下的性能目标验算，直至满足中震正常使用的性能目标。4.5.1性能评价标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）新增加了第3.11节——结构抗震性能设计，将结构的抗震性能分为五个水准，对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”五个级别。钢筋混凝土构件截面上的钢筋一般分布在截面的外围，一旦屈服可认为整根钢筋发生全截面屈服。钢构件的塑性应变可同时考察拉应变与压应变，钢筋混凝土构件中的钢筋一般主要考察受拉塑性应变。钢筋混凝土构件除了考察钢筋塑性应变，还要考察混凝土材料的受压损伤情况，其程度以损伤因子表示。剪力墙构件由“多个细分混凝土壳元+分层分布钢筋+两端约束边缘构件杆元”共同构成，但对整个剪力墙构件而言，如下图所示，由于墙肢面内一般不满足平截面假定，在边缘混凝土单元出现受压损伤后，构件承载力不会立即下降，其损坏判断标准应有所放宽。考虑到剪力墙的初始轴压比通常为0.5~0.6，当50%的横截面受压损伤达到0.5时，构件整体抗压和抗剪承载力剩余约75%，仍可承担重力荷载，因此以剪力墙受压损伤横截面面积作为其严重损坏的主要判断标准。连梁和楼板的损坏程度判别标准与剪力墙类似，楼板以承担竖向荷载为主，且具有双向传力性质，小于半跨宽度范围内的楼板受压损伤达到0.5时，尚不至于出现严重损坏而导致垮塌。图4.5.1混凝土承载力与受压损伤因子的简化对应关系在SAUSAGE中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准，其与上述“高规”中构件的损坏程度对应关系如表4.5.1所示。表4.5.1混凝土承载力与受压损伤因子的简化对应关系说明：表中数值为单元各性能水平指标下限值，各项指标取不利。为钢筋（钢材）塑性应变与屈服应变的比值。dc为混凝土受压损伤系数。dt为混凝土受拉损伤系数。梁柱构件性能等级取单元性能等级最大值。墙板构件性能等级取单元按面积加权平均后的性能等级。4.5.2性能评价图4.5.2包络框架梁、柱性能标准由图4.5.2可以看出，在设防地震作用下，大部分结构构件基本完好，只有梁柱节点与梁跨中单元出现轻微损坏，满足导则中对II类建筑对结构构件基本完好或轻微损坏的要求。4.6设防地震弹塑性分析小结本章将3-3#男生宿舍按设防地震7度（0.1g）进行设计的模型导入SAUSAGE软件，进行本地区设防地震6度（0.12g）下的弹塑性时程计算，并进行设防地震下的性能目标验算。从中震弹塑性分析结果来看，混凝土结构普通竖向构件及普通水平构件均无配筋超限情况，配筋量适中，且能够满足设防地震作用性能目标的设定。结构在设防地震作用下的结构变形及楼面水平加速度均满足导则要求。综上所述，本结构的抗震设计能够满足设防地震作用下正常使用的要求。罕遇地震作用下的结构性能设计及评价5.1罕遇地震作用下结构弹塑性时程分析的目的根据《建筑抗震设计规范》（GB-50011-2010）1.0.1条规定：当建筑物遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。结构在较大的地震作用下某些部位要发生屈服甚至破坏退出工作，从而结构的工作状态会从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的反应性能会发生改变，因此需要考虑结构进入非线性状态的地震反应分析。经过非线性分析后，通过出铰顺序判断“强柱弱梁”、通过铰类型判断“强剪弱弯”；通过弹塑性层间位移角验算结构大震下的位移是否满足规范要求；通过小震、中震、大震分析结果的比较判断结构、构件的承载能力和延性；通过对结构、构件的承载能力和延性的判断进行性能设计(调整线弹性设计结果)。通过弹塑性分析，拟达到以下目的：1、对结构在罕遇地震作用下的非线性性能给出定量（性）解答，研究本结构在罕遇地震作用下的变形形态、构件的塑性及其损伤情况，以及整体结构的弹塑性行为，具体的研究指标包括最大顶点位移、最大层间位移及最大基底剪力等；2、给出结构的塑性发展发展过程，描述各构件出现塑性的先后次序，分析结构的屈服机制并对其合理性作出评价；3、研究结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况；4、论证整体结构在罕遇地震作用下的抗震性能，寻找结构的薄弱层或（和）薄弱部位；5、根据以上研究成果，对结构的抗震性能给出评价，并对结构设计提出改进意见和建议。5.2弹塑性分析方法本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应。在本结构的弹塑性分析过程中，以下非线性因素得到考虑：1、几何非线性：结构的平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，“P-∆”效应，非线性屈曲效应，大变形效应等都得到全面考虑；2、材料非线性：直接采用材料非线性应力-应变本构关系模拟钢筋、钢材及混凝土的弹塑性特性，可以有效模拟构件的弹塑性发生、发展以及破坏的全过程；上述所有非线性因素在计算分析开始时即被引入，且贯穿整个分析的全过程。5.3弹塑性分析软件本章依然采用第4章中的弹塑性分析软件SAUSAGE，三维非线性结构整体分析模型与弹性分析的YJK模型对应。5.4非线性地震反应分析模型5.4.1材料模型（2）混凝土材料一维混凝土材料模型采用规范指定的单轴本构模型,能反应混凝土滞回、刚度退化和强度退化等特性，其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范》表4.1.3采用。混凝土单轴受拉的应力-应变曲线方程按附录C公式C.2.3-1~C.2.3-4计算。5.4.2杆件弹塑性模型杆件非线性模型采用纤维束模型，如下图所示，主要用来模拟梁、柱、斜撑和桁架等构件。图5.4.2一维纤维束单元纤维束可以是钢材或者混凝土材料，根据已知的、和，可以得到纤维束i的应变为：，其截面弯矩M和轴力N为：其中即由前面描述的材料本构关系得到的纤维应力。应该指出，进入塑性状态后，梁单元的轴力作用，轴向伸缩亦相当明显，不容忽略。所以，梁和柱均应考虑其弯曲和轴力的耦合效应。由于采用了纤维塑性区模型而非集中塑性铰模型,杆件刚度由截面内和长度方向动态积分得到,其双向弯压和弯拉的滞回性能可由材料的滞回性来精确表现，如下图所示，同一截面的纤维逐渐进入塑性，而在长度方向亦是逐渐进入塑性。图5.4.3一维单元的塑性区发展示意图除使用纤维塑性区模型外，一维杆件弹塑性单元还具有如下特点：Timoshenko梁可剪切变形；为C0单元，转角和位移分别插值。5.4.3楼板非线性模型楼板采用弹塑性分层壳单元，该单元具有如下特点：可采用弹塑性损伤模型本构关系（Plastic-Damage）；可叠加rebar-layer考虑多层分布钢筋的作用；适合楼板在大震作用下进入非线性的状态。5.4.4整体分析模型建筑结构有限元分析中为减少计算工作量，通常对楼板采用刚性楼板假定，其实质是通过节点耦合的方法，约束同层内各节点的X、Y相对距离不变。这一假定在小变形和弹性阶段是可以接受的。但在考虑大变形的弹塑性阶段，尤其是对超高层建筑，其顶点位移多在1m以上，结构上部楼板已出现了明显的倾角，此时同层内各节点若仍假定分析开始阶段的X、Y相对水平距离，将使节点偏离其应在位置，从而导致分析误差。此外，在非线性过程中，楼板将发生开裂使其平面内刚度下降，对结构的各抗侧力构件刚度分配和剪力传递也将产生一定影响。因此，本工程的非线性分析中将不采用刚性楼板假定，对各层楼板均划分为壳单元进行分析。5.4.5构件配筋对混凝土构件进行动力弹塑性时程分析，需要较为准确地考虑构件配筋对其承载力和刚度的贡献。弹塑性分析中的配筋数据均来自YJK软件性能包络的计算结果且满足规范构造的要求，现有SAUSAGE弹塑性模型的配筋参数与实际配筋已较为接近。5.5模型质量结构的总质量及其分布与结构的重力荷载代表值对应。本项目各塔楼结构非线性分析模型的总质量与YJK和SAUSAGE模型中总质量相当。详见5.7节。5.6周期和模型确保非线性结构模型在构件进入弹塑性阶段工作之前，该模型动力特性与弹性的YJK模型相一致，SAUSAGE模型和YJK模型前3阶振型的周期、两模型的动力特性基本一致。图5.6.13-3#男生宿舍SAUSAGE三维模型5.7地震动信息地震动谱如下（地震波均按照规范峰值加速度调幅）。图5.7.1地震动谱规范谱根据国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），αmax=0.28,Tg=0.25。地震波曲线如下：Parkfield-NO-31（天然波X）Parkfield-NO-31（天然波Y）Parkfield-NO-30（天然波X）Parkfield-NO-30（天然波Y）RH3TG025（人工波X）RH3TG025（人工波Y）图5.7.2三组地震的加速度时程记录下表给出了三条地震波的具体数据。表5.7.1地震波详细数据地震波简称间隔时间(s)持续时间(s)峰值(cm/s2)Parkfield-NO-31天然波10.0226.1150Parkfield-NO-30天然波20.0226.0150RH3TG025人工波10.0220.01505.8罕遇地震弹塑性计算结果表5.8是结构在人工波和天然波弹塑性分析整体计算结果汇总，各组地震波均按主方向为X向和Y向各计算一次。表5.8地震作用下结构整体计算结果汇总作用地震波天然波1作用下天然波2作用下人工波1作用下X主方向Y主方向X主方向Y主方向X主方向Y主方向YJK总质量/T11306.069SAUSAGE总质量/T11440.08大震弹塑性X向最大基底剪力(MN)8.9—7.7—10.4—大震弹塑性Y向最大基底剪力(MN)—12.4—20.2—16.6X向最大顶点位移(m)0.025—0.025—0.036—Y向最大顶点位移(m)—0.016—0.015—0.015X向最大层间位移角(层号)1/629（3F）—1/685（3F）—1/457（3F）—Y向最大层间位移角(层号)1/1057（4F）—1/1013（6F）—1/874（2F）结构弹塑性整体计算指标评价：1）在考虑重力二阶效应的情况下，结构在完成动力弹塑性分析后，结构最终仍保持直立，满足“大震不倒”的设防要求；2）主体结构在三组地震波作用下的最大弹塑性层间位移角X向为1/457，Y向为1/874均满足导则1/200要求；5.8.1基底剪力楼层计算结果三条地震波作用下，结构在X向和Y向的楼层剪力分布如下图5.8.1所示。图5.8.1层间剪力曲线5.8.2楼层位移及层间位移角计算结果三条地震波作用下，结构在X向和Y向的层间位移角包络值如图5.8.2.1、5.8.2.2所示。可见，大震作用下，各楼层的层间位移角都小于导则规定的1/200的限值。图5.8.2.1层间位移角图5.8.2.2楼层位移表5.8.2罕遇地震弹塑性层间位移角工况主方向类型最大顶点位移最大层间位移角位移角对应层号Parkfield__XX主向弹塑性0.0251/6293Parkfield__X_1X主向弹塑性0.0251/6853RH3TG025_XX主向弹塑性0.0361/4573Parkfield__YY主向弹塑性0.0161/10574Parkfield__Y_1Y主向弹塑性0.0151/10136RH3TG025_YY主向弹塑性0.0151/87425.8.3楼面加速度计算结果图5.8.3楼层加速度曲线由图