王凌云

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 工程概況

新疆阜康市人民醫(yī)院新址建設(shè)項(xiàng)目(整體搬遷)住院部大樓是一棟集600張床位和手術(shù)室為一體的病房大樓。地上11層，地下1層，總建筑面積為33 313.9 m2。首層層高5.4 m，典型層高3.9 m，頂層手術(shù)室層高5.1 m，總高度49.1 m。整個(gè)建筑采用曲線動(dòng)感的形式，兩端水平，中間部分由一段最大角度與垂直方向不超過(guò)12度的弧線組成。建筑效果圖見(jiàn)圖1。水平總長(zhǎng)度達(dá)131.50 m，寬度22.40 m。結(jié)構(gòu)體系采用具有多道抗震防線的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

新疆維吾爾自治區(qū)阜康市抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)特征周期為0.40 s。醫(yī)院建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)[1]，計(jì)算基本地震加速度取值為0.20 g，即8度設(shè)防(依據(jù)中國(guó)地震局文件(中震防發(fā)[2009]49號(hào)))，乙類建筑按8度設(shè)防烈度考慮時(shí)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架抗震等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Overview of the building

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)(文獻(xiàn)[2]附錄A.1.1注：房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的甲類建筑和乙類建筑，其安全等級(jí)宜規(guī)定為一級(jí))。對(duì)于高設(shè)防烈度的結(jié)構(gòu)內(nèi)力一般由地震作用組合控制，而地震設(shè)計(jì)狀況下結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0(文獻(xiàn)[3]第3.3.2條)，所以本工程安全等級(jí)的提高只提高非抗震構(gòu)件如次梁等的承載能力，對(duì)抗震構(gòu)件無(wú)影響。

2 建筑特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 建筑特點(diǎn)

建筑整體平面還算規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)件也無(wú)明顯突變，但平面長(zhǎng)度達(dá)131.50 m，遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距的要求(框架結(jié)構(gòu)55 m，剪力墻結(jié)構(gòu)45 m)，如嚴(yán)格按照規(guī)范的要求至少設(shè)置兩條縫，不僅將提高造價(jià)也會(huì)給施工帶來(lái)麻煩，故考慮只設(shè)一條伸縮縫兼抗震縫，超長(zhǎng)部分采用設(shè)置后澆帶的方法減小溫度和混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合病房樓頂層手術(shù)室與頂層設(shè)備夾層的功能分區(qū)要求，將這條縫設(shè)在左邊7軸右側(cè)。這樣造成了左右平面均為非對(duì)稱平面，在不降低扭轉(zhuǎn)性能的前提下結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置(主要是剪力墻)顯得尤為重要。另外醫(yī)院這類公共建筑要求大開(kāi)間，外立面設(shè)置長(zhǎng)窗，導(dǎo)致縱向剪力墻(X向)布置困難。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

醫(yī)院建筑人員密集，一旦發(fā)生地震，傷亡嚴(yán)重，根據(jù)中震防發(fā)[2009]49號(hào)文設(shè)計(jì)提高一度地震作用計(jì)算，加上建筑功能和平面布置的要求X向難以布置長(zhǎng)墻肢，較易成為單向少墻框架結(jié)構(gòu)。為使結(jié)構(gòu)體系能有較好的抗扭性能，可通過(guò)控制與建筑平面扭轉(zhuǎn)性相關(guān)的兩個(gè)指標(biāo)[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)：①扭轉(zhuǎn)周期比即扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比小于0.9；②位移比即在剛性樓板假定條件下，在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平單向地震力作用下，樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)，不大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍，根據(jù)規(guī)范滿足此條件后此建筑屬于平面規(guī)則結(jié)構(gòu)。為了更好地發(fā)揮框架與剪力墻結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)勢(shì)及協(xié)同性，控制框架底層在兩方向(X向、Y向)承受的地震傾覆力矩均占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%～50%之間，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻對(duì)剛度的貢獻(xiàn)較大，墻體的布置將影響到整體抗震扭轉(zhuǎn)的性能。

3 結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)分析

針對(duì)上述設(shè)計(jì)要求及難點(diǎn)，重點(diǎn)分析了左側(cè)部分的抗震指標(biāo)的設(shè)計(jì)過(guò)程。本工程采用的建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件是北京盈建科軟件有限責(zé)任公司系列軟件YJK-A。取出1～7軸的結(jié)構(gòu)部分，首先將柱截面取為900×900，在不布置剪力墻的情況下，試算整體結(jié)構(gòu)算的各項(xiàng)指標(biāo)：結(jié)構(gòu)自振周期見(jiàn)表1，主要控制參數(shù)見(jiàn)表2。

表1結(jié)構(gòu)自振周期(取15振型前3個(gè))

Table1Structuralperiods(Firsethreemodes)

振型號(hào)123周期/s2.473 4(T1)2.303 52.171 8(Tθ1)平動(dòng)系數(shù)0.980.690.34扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.020.310.66

表2主要參數(shù)

Table2Mainparameters

控制參數(shù)作用方向XY剪力系數(shù)(剪重比)λ3.829%2.953%振型質(zhì)量參與系數(shù)(有效質(zhì)量系數(shù))93.92%92.48%Tθ1/T1(扭轉(zhuǎn)周期比)0.88地震作用下樓層的最大層間位移值與平均值的比值1.131.24地震作用下樓層的最大水平位移值與平均值的比值1.091.24地震作用下最大彈性層間位移角θe1/4621/402

顯然最大彈性層間位移角不滿足規(guī)范對(duì)框架體系的要求(1/550)，扭轉(zhuǎn)性能也不太理想，在不加大柱截面的情況下只有通過(guò)增加適量剪力墻來(lái)改善其抗扭性能。根據(jù)規(guī)范對(duì)于剪力墻布置的要求，先憑經(jīng)驗(yàn)布置了幾榀墻體進(jìn)行試算。墻體布置平面圖見(jiàn)圖2。

(1) 樓電梯間布置原則：左側(cè)2～3軸樓電梯間開(kāi)洞較大，荷載偏重，將其布置成一筒體，僅在洞口及中部區(qū)域設(shè)連梁。

(2) 凸角布置原則：右側(cè)7軸與Y向成12度，導(dǎo)致A軸/7軸角部成一突角，為加強(qiáng)此角部沿7軸布置墻體，以減少突出部分端部的側(cè)向位移，減少局部扭轉(zhuǎn)。

圖2 墻體布置平面圖Fig.2 Structural layout plan

(3) 均勻、分散、對(duì)稱、周邊地布置原則：左側(cè)由于功能布局1軸無(wú)法布置墻體，在2軸、3軸、6軸、7軸均勻?qū)ΨQ地布置了橫向墻體，X向墻體的布置只能利用窗間墻，與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)盡量加長(zhǎng)窗間墻。后建立模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)自振周期見(jiàn)表3，主要控制參數(shù)見(jiàn)表4。

表3結(jié)構(gòu)自振周期

Table3Structuralperiods

振型號(hào)123周期/s1.496 8(T1)1.209 11.103 3(Tθ1)平動(dòng)系數(shù)0.970.970.06扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.030.030.94

表4主要參數(shù)

Table4Mainparameters

控制參數(shù)作用方向XY剪力系數(shù)(剪重比)λ5.358%6.162%振型質(zhì)量參與系數(shù)(有效質(zhì)量系數(shù))98.85%97.95%Tθ1/T1(扭轉(zhuǎn)周期比)0.74地震作用下樓層的最大層間位移值與平均值的比值1.081.26地震作用下樓層的最大水平位移值與平均值的比值1.081.24地震作用下最大彈性層間位移角θe1/8421/967最小側(cè)向剛度比1.178 8(第8層)1.238 8(第8層)最小樓層抗剪承載力之比(與相鄰上層的比值)0.81(第12層)0.84(第12層)框架柱地震傾覆力矩百分比24.2%13.7%

注：對(duì)高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比為本層側(cè)移剛度與上一層側(cè)移剛度(考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度)90%的比值。

由表4可看出最大彈性層間位移角小于1/800，滿足規(guī)范對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的要求。X向、Y向振型參與質(zhì)量之和均大于90%，計(jì)算振型數(shù)已滿足要求。在反映結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的兩個(gè)指標(biāo)中，周期比遠(yuǎn)低于規(guī)范0.90的要求，盡管位移比滿足規(guī)范要求，其值1.26在1.4內(nèi)(不超限)，但離預(yù)定目標(biāo)還有一些距離。

經(jīng)驗(yàn)告訴我們要減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)引起的破壞一般可從兩方面入手，一是減少地震引起的扭轉(zhuǎn)，二是增加結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)的能力。針對(duì)這兩點(diǎn)可采用的方法是：①調(diào)整結(jié)構(gòu)每層的剛度中心盡可能接近質(zhì)量中心即減小偏心率，結(jié)構(gòu)每層的剛度中心是由程序在假定水平力作用下求出，剪力墻由于存在面內(nèi)面外兩種剛度，布置位置的調(diào)整會(huì)引起剛度中心兩個(gè)方向上同時(shí)變化，需要不斷地試算才能得到較好的結(jié)果；②加強(qiáng)周邊構(gòu)件的剛度，如增加建筑物外框處的剪力墻、梁柱構(gòu)件的數(shù)量或增大構(gòu)件截面尺寸，同時(shí)弱化建筑物核心區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，可以有效地降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。周期比指標(biāo)控制得越小，抗扭剛度越大，振動(dòng)耦聯(lián)影響越小，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也越小。位移比是控制結(jié)構(gòu)整體抗扭特性和平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比較大往往是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，剛度布置不均勻，結(jié)構(gòu)上下層剛度偏心較大等原因，解決辦法主要是調(diào)整結(jié)構(gòu)的布置，使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件分布均勻，整體結(jié)構(gòu)具有合理的側(cè)向剛度和足夠的抗扭能力?？赏ㄟ^(guò)一些輔助手段如查看軟件提供的振型圖來(lái)判斷剛度強(qiáng)弱的部位。

綜合以上因素對(duì)剪力墻布置進(jìn)行了調(diào)整，通過(guò)在周邊布置剪力墻來(lái)提高其抗扭性能，但由于建筑布局原因左邊1軸上無(wú)法布置墻體，而1軸外側(cè)為外立面構(gòu)架與1軸之間不是每層均設(shè)有樓板，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架與剪力墻是通過(guò)各層剛性樓板的聯(lián)系使兩者協(xié)同工作，變形一致，共同承擔(dān)水平荷載的，如要在1軸外側(cè)布置墻體，必須在其間每層布置樓板來(lái)協(xié)同框架與剪力墻，但中間跨B～C跨為了滿足立面效果必須開(kāi)洞，那就只能通過(guò)加強(qiáng)其周邊樓板來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的水平力傳遞，本設(shè)計(jì)中布置150 mm厚板，提高板配筋率并雙層雙向拉通，且在計(jì)算中考慮板平面內(nèi)剛度等加強(qiáng)措施，來(lái)彌補(bǔ)板洞造成的缺陷。調(diào)整后的墻體布置如圖3所示，但計(jì)算后發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯，位移比反而加大，由1.26變?yōu)?.34，X方向位移角也增大，變?yōu)?/785，不滿足規(guī)范要求，Y向框架柱承受的底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩小于10%，明顯Y向墻體過(guò)多，造成扭轉(zhuǎn)效應(yīng)加大，必須要減少Y向的墻體；分析還發(fā)現(xiàn)電梯井筒處的剛度偏大造成內(nèi)部剛度分布的不均勻。試著將墻體減少減弱，當(dāng)然墻體的減少要注意對(duì)稱均勻性，不要影響到整體剛度的均勻分布，通過(guò)逐步地調(diào)試，削弱了樓電梯井筒處的墻體，取消了2、3軸下方的墻體和6軸上方的墻體，再利用右側(cè)7軸邊小電梯井筒布置墻體，既提高了X向剛度又增加A軸/7軸突角處Y向剛度。位移比是個(gè)相對(duì)比值關(guān)系，減小最大位移或提高平均位移對(duì)此比值均有影響。最終調(diào)試的墻體布置平面如圖4所示，結(jié)構(gòu)自振周期見(jiàn)表5，主要控制參數(shù)見(jiàn)表6。

圖3 墻體布置平面圖Fig.3 Structural layout plan

圖4 墻體布置平面圖Fig.4 Structural layout plan

表5結(jié)構(gòu)自振周期

Table5Structuralperiods

振型號(hào)123周期/s1.439 5(T1)1.182 40.879 5(Tθ1)平動(dòng)系數(shù)0.990.990.02扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.010.010.98

顯示結(jié)果比較滿意，能達(dá)到預(yù)期的要求，且扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第二自振周期之比0.74也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足規(guī)范限值要求，使結(jié)構(gòu)抗扭剛度更為理想；結(jié)構(gòu)各層偏心率均小于0.15；兩個(gè)方向抗側(cè)力剛度也較接近；中間墻體盡量少布置能滿足醫(yī)院建筑的大開(kāi)間要求。但調(diào)整系數(shù)偏大，最大要到5，該系數(shù)的設(shè)置是為了實(shí)現(xiàn)框架-剪力墻體系多道防線的抗震設(shè)計(jì)概念，如過(guò)大勢(shì)必影響到框架部分起到二道防線的作用，根據(jù)一些文獻(xiàn)上的說(shuō)法，此系數(shù)不宜超過(guò)3～4，考慮到這點(diǎn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)底部層高較高處此Y向系數(shù)偏大，將底部二層的柱截面在Y向放大，改為900×1 000，經(jīng)計(jì)算此系數(shù)大大降低，根據(jù)電算結(jié)果，3層調(diào)整系數(shù)為2.781，屋面機(jī)房層因?qū)痈哌_(dá)5 170 mm，此系數(shù)為3.425，均在允許范圍內(nèi)。

表6主要參數(shù)

Table6Mainparameters

控制參數(shù)作用方向XY剪力系數(shù)(剪重比)λ5.475%5.964%振型質(zhì)量參與系數(shù)(有效質(zhì)量系數(shù))90.47%91.92%Tθ1/T1(扭轉(zhuǎn)周期比)0.61地震作用下樓層的最大層間位移值與平均值的比值1.061.15地震作用下樓層的最大水平位移值與平均值的比值1.051.14地震作用下最大彈性層間位移角θe1/8401/951最小側(cè)向剛度比1.177 4(第8層)1.231 4(第8層)最小樓層抗剪承載力之比(與相鄰上層的比值)0.81(第12層)0.85(第12層)框架柱地震傾覆力矩百分比30%14.5%

4 結(jié) 論

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是我們經(jīng)常遇到的結(jié)構(gòu)形式，也是最能通過(guò)調(diào)整剪力墻的布置來(lái)改善抗震扭轉(zhuǎn)性能的體系?，F(xiàn)階段地震作用及效應(yīng)的計(jì)算仍停留在估算水平，抗震設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置可以控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性能，避免結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的扭轉(zhuǎn)脆性破壞，使受力更加合理。

通過(guò)此工程的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)框架-剪力墻體系扭轉(zhuǎn)性能的控制有了進(jìn)一步理解。

(1) 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，應(yīng)在兩個(gè)主軸方向均布置剪力墻，盡可能使兩個(gè)方向抗側(cè)力剛度接近(即周期、位移相近)。

(2) 為了發(fā)揮框架與剪力墻結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)勢(shì)及協(xié)同性，控制在規(guī)定水平力地震作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%～50%。盡量避免出現(xiàn)單向的少墻體系，減少對(duì)扭轉(zhuǎn)不利的影響。

(3) 在提高結(jié)構(gòu)抗扭性能方面，剪力墻的布置應(yīng)在原有框架柱的基礎(chǔ)上使結(jié)構(gòu)平面剛度均勻；在保證位移角滿足的前提下削弱中部墻體，加強(qiáng)周邊墻體的布置；對(duì)于剛度偏弱的角部要相對(duì)加強(qiáng)。巧妙地運(yùn)用一些電梯井筒來(lái)布置剪力墻，如本工程2～3軸的井筒由于偏置不宜布成筒體而右側(cè)小井筒墻體的剛度則對(duì)抗扭有利。

[ 1 ] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50223—2008 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

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[ 2 ] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50153—2008 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

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