双层复杂水池结构抗震设计探讨

刘双凤

【摘 要】本文以高烈度区双层水池为背景，利用设计软件对其进行分析，重点分析其地震响应情况，对不同软件计算得出的地震响应结果进行对比和分析，并对结构薄弱部位[1]采取适当构造措施，为同类设计提供参考依据。

【关键词】双层水池;地震响应;薄弱部位

本工程为双层水池，结构形式特殊，计算时需采取不同措施：利用YJK软件以层为概念按建筑物建立计算模型，利用MIDAS有限元软件按水池构筑物建立有限元分析模型，根据两种软件计算的差异情况进行分析。

一、分析参数

本工程由上下两层水池架空布置而成，长x宽：35.8m x 31.9m，结构高度：地上15米，地下5.8米，下层水池底板标高-5.8m， 顶标高2.55m，上层水池底标高6.65m，顶标高15m。两层水池中间架空4.1m，架空层设置剪力墙，厚度同池壁500厚，上层水池底板为500厚，每层水池均布置六格水池，每层水池深度为8.32m，水深8m，基础形式采用筏板基础。砼采用C40高强砼。

持力层为粉土层，承载力特征值为140Kpa。

1.1地震荷载工况

地震重力荷载代表值需考虑以下参数：

A：恒载;包括楼板自重，面层荷载，水池池底滤料承托层荷载，墙重及钢屋面荷载;

B：活载;包括楼面活荷载及水荷载;计算地震响应时将池内水荷载总质量集中于池壁4个角部中点深度处;池内水荷载地震重力荷载代表值活载组合值系数取1.0。

C：满水和部分空格工况

根据工艺提资：上层6格中随机2格停水检修，下层滤池东西2格同时停水检修考虑。计算时取对抗震最不利的荷载偏心布置。

二、分析结果

2.1地震周期对比

2.2振型

两种软件计算出来的振型模态基本一致，即Y向为第一平动，X向为第二平动，第三振型均为扭转振型。

2.3地震位移（mm）

从上述结果可以看出，结构的地震周期和地震位移结果都不是很大，由于架空层采用500厚同池壁厚度的剪力墙，增加了结构的整体抗侧刚度，使之能够抵抗水平地震荷载，两个方向的地震响应情况接近，说明两个方向抗侧刚度基本一致。

但从上述结果中midas计算出来的地震响应结果比YJK的结果大一些，由于YJK模型中将本工程视为“房屋结构体系”，即层概念，地下一层水池视为地下室，对上部结构形成一定的嵌固作用。而Midas模型中将本工程视为水池构筑物，没有层的概念，设置支座时仅考虑底板土的弹性支撑作用，不考虑周边土对地下结构的有效嵌固作用，因此结构相比前者较“柔”。另外，后者忽略地下周边土对竖壁有效嵌固作用，地震扭转效应会比前者要大。除了上述影响因素外，还有就是两种软件考虑的地震质量重心高度不一样，由于本工程水荷载较大，而YJK软件仅考虑将水荷载转化为楼面标高处的质量，Midas则考虑水荷载的重心高度处的质量，尽管质量相同，但是质量所在的高度不同，后者考虑的质量重心高度比前者高，故周期也会比前者长。

2.4地震薄弱层[1]分析

本工程结构属于“头重脚轻”，质量分布极度不均匀，对抗震极为不利，地震荷载作用下，该层容易最早出现破坏，因此架空层成为抗震相对薄弱的一层，即“薄弱层[1]”。

从YJK数據可知，第二层架空层抗剪承载力出现突变，由此可见，第二层架空层是结构的薄弱层，以架空层某片剪力墙竖向内力分析为例，地震荷载产生的竖向力占竖向内力组合值的28%左右，而风荷载仅占1%，由此可见地震荷载对于薄弱层设计影响不容忽视。

由Midas分析结果可看出，地震荷载作用下薄弱层应力会出现突变，本层应力比上下层都要大，边角部位会出现不同程度的应力集中现象，受力情况复杂，设计时需对这些区域重点关注并采取构造加强措施。由于该层的存在，地震荷载作用下结构顶部位移特别是扭转位移效应明显，因此加强本层的刚度和强度是本工程设计的关键环节。

三、结束语

综上所述，对于复杂双层水池必须采取构造加强措施：

a.提高剪力墙抗震构造措施等级、剪力墙边缘构件从底到顶均通长设置的构造措施加强薄弱层强度;

b.剪力墙顶底设置通长暗梁、扩大剪力墙边缘构件范围以及增加边缘构件配筋率，采用高标号砼，高强钢筋等一系列构造措施缓解地震荷载作用下剪力墙边角部位出现的应力集中。

c.每层水池顶部环形走道挑板采取加厚处理形成水平加劲肋作用、每格水池顶部增加四角构造斜筋等构造措施限制结构在地震作用下过大的扭转效应;

d.合理布置剪力墙使两个方向抗侧刚度接近以减少偶然偏心产生的不利影响。

e.基础采用大面积筏板基础，可以有效减小基础的不均匀沉降作用以及保证在水平地震作用下基底不会出现零应力区的情况。同时在具体设计过程中注意不应忽视地震时出现的动土压力[3]和动水压力[3]，水池壁板配筋时应考虑这一内力增大后引起的配筋增加。

对于高烈度区多层复杂水池结构，计算上需要采取多种计算措施，当计算结果出现大的偏差时，应分析原因，同时针对薄弱层采取相应的构造加强措施，这样才能保证结构计算的准确和结构安全。

【参考文献】

[1]： 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（2016年版）  2016.08 .01

[2]：  文保军1 梁兴文2 侯丽娜3. 钢筋混凝土剪力墙塑性铰区受剪承载力分析 2007.10.28

[3]： 《给水排水工程结构设计手册》建筑工业出版社  2017.01 .01