劉少武，肖紹添

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院 廣州510060）

1 工程概況

廣州某醫(yī)院項目總建筑面積224 486 m2（其中地上131 338.00 m2，地下93 148.00 m2）。本項目由3 棟建筑（門診醫(yī)技行政樓、住院樓、科研樓）組成，地上為7～9 層，地下3 層。建筑通過設(shè)置防震縫分成多個結(jié)構(gòu)單體。其中門診樓通過設(shè)縫分成3個結(jié)構(gòu)單體，M-2為其中一個結(jié)構(gòu)單體，地面7層，主要屋面高度32.10 m。結(jié)構(gòu)單體示意圖如圖1 所示，醫(yī)院建筑整體效果如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)單體示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Single Structure

圖2 建筑整體效果Fig.2 Overall Rendering of Building

本項目抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，設(shè)計地震分組為第一組。建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg=0.35 s。基本風(fēng)壓值為0.50 kN/m2。地面粗糙度類別為B 類。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。上部結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室1層樓面。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)布置

門診樓M-2棟采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。地下室1層設(shè)通高門廳，結(jié)構(gòu)高度19.650 m。門廳外圍設(shè)置向外傾斜的穿層柱，設(shè)計采用鋼管混凝土柱，型鋼材質(zhì)Q355B，截面φ 1 000×30，如圖3 所示。北側(cè)5～7 層建筑設(shè)計為連層內(nèi)庭，形成穿層柱。主體結(jié)構(gòu)YJK 三維模型如圖4所示。

圖3 首層結(jié)構(gòu)布置Fig.3 First Floor Structural Layout

圖4 主體結(jié)構(gòu)YJK三維模型Fig.4 YJK 3D Model of Main Structure

2.2 大跨度屋蓋

門診樓M-2棟北側(cè)入口處屋面，建筑設(shè)計為扇形狀屋面，內(nèi)柱跨度8.6 m，外懸挑13～16 m 懸挑，扇形最大弧長約50 m。屋蓋擬采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置如圖5 所示。桁架結(jié)構(gòu)既能滿足建筑外觀要求，又具有合理的受力性能，符合結(jié)構(gòu)安全的需要。

2.3 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［1］、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［2］及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點：（建質(zhì)［2015］67 號》的有關(guān)條文，本結(jié)構(gòu)共存在4 項不規(guī)則項，屬于超限高層建筑工程，需進(jìn)行抗震設(shè)防專項設(shè)計。超限具體情況為存在以下幾項結(jié)構(gòu)不規(guī)則項。

圖5 屋面結(jié)構(gòu)布置Fig.5 Roof Structure Layout

⑴扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.4，大于1.2；

⑵樓板不連續(xù)：5層有效寬度60.20%>50%；

⑶尺寸突變：豎向構(gòu)件收進(jìn)位置高于結(jié)構(gòu)高度20%，且收進(jìn)37.5%>25%、屋面外挑15.950 m>4 m；

⑷局部不規(guī)則：首層～4 層有局部穿層柱、斜柱，5～7層局部有穿層柱。

針對以上4項不規(guī)則項，采取如下5項加強(qiáng)措施：

⑴對于樓板不連續(xù)，整體樓板采用彈性板模擬實際剛度，并按照中震不屈服復(fù)核樓板應(yīng)力，樓板開洞口周邊采用雙層雙向配筋，適當(dāng)提高配筋率；

⑵4 層豎向構(gòu)件收進(jìn)部位，塔樓上下2 層的豎向構(gòu)件抗震等級提高一級；

⑶穿層柱、斜柱抗震等級提高一級，并按中震彈性進(jìn)行設(shè)計計算；

⑷屋面懸挑桁架按中震彈性進(jìn)行設(shè)計計算，并考慮豎向地震作用。中震下桁架構(gòu)件最大應(yīng)力比控制在0.8以內(nèi)。

⑸對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性分析，評價主要抗側(cè)力構(gòu)件的塑性損傷分布，判斷主要抗側(cè)力構(gòu)件在罕遇地震作用過程中實現(xiàn)預(yù)定的性能目標(biāo)水準(zhǔn)。

本項目結(jié)構(gòu)的特點和超限內(nèi)容，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)BDJ 15—92—2013》［3］第3.11 節(jié)相關(guān)要求，M-2 棟抗震性能目標(biāo)均為C 級。結(jié)構(gòu)各部位抗震性能水準(zhǔn)如表1所示。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 反應(yīng)譜分析

主體結(jié)構(gòu)采用YJK-A 進(jìn)行反應(yīng)譜分析，采用MI?DAS GEN 進(jìn)行對比驗算。2 個軟件對主體結(jié)構(gòu)的主要計算結(jié)果如表2～表4所示。

表1 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況Tab.1 Expected Post Earthquake Performance of Structures of Each Performance Level

表2 結(jié)構(gòu)周期計算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Structural Period

表3 地震作用下結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果Tab.3 Calculation Results of Structural Displacement under Earthquake Action

表4 地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力及傾覆力矩計算結(jié)果Tab.4 Calculation Results of Bottom Shear Force and Overturning Moment of Structure under Earthquake Action

表2 的周期計算結(jié)果顯示，2 種軟件計算的周期接近，絕大部分水平振動周期相差不超過2.5%。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］3.7.3 條規(guī)定，高度不大于150 m 的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比不宜大于1/800。由表3 可知，本工程最大層間位移角為1/1 662，滿足要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］第5.2.5 條規(guī)定：7 度（0.10 g）區(qū)基本周期小于3.5 s 的結(jié)構(gòu)樓層最小地震剪力系數(shù)為0.016。由表4 可見，本項目2種軟件計算的各樓層最小剪重比皆大于0.016，剪重比均滿足文獻(xiàn)［1］要求。

3.2 動力彈塑性時程分析

本項目采用YJK-EP進(jìn)行動力彈塑性時程分析［4-6］。選擇3 組地震波，分別按X 向、Y向為主方向（主、次方向及豎向地震波峰值比例為1∶0.85∶0.65）進(jìn)行彈塑性時程分析。地震加速度最大值按規(guī)范取220 cm/s2。地震波的“有效持續(xù)時間”不宜小于周期的5 倍，并且應(yīng)大于15 s。多組地震時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%。

3.2.1 基底剪力計算結(jié)果對比

各組波的彈性時程剪力與彈性振型分解反應(yīng)譜的剪力對比如表5所示。各條波在基底剪力與小震彈性CQC的剪力比值均與經(jīng)驗值比較符合。

3.2.2 樓層最大響應(yīng)

樓層最大響應(yīng)顯示的是各個樓層在地震波作用下響應(yīng)的最大值。文獻(xiàn)［2］明確規(guī)定彈塑性位移角不能超過位移角限值，否則判定結(jié)構(gòu)不能達(dá)到大震不倒的設(shè)防水準(zhǔn)。以X 向為例，各條波最大的樓層位移、層剪力曲線如圖6所示，由圖6中可以看出：

⑴大震下X 為主方向時，彈塑性位移普遍大于彈性位移，說明結(jié)構(gòu)都可能已進(jìn)入了不同程度的非線性，最大位移均位于頂層。

⑵大震彈塑性基底剪力明顯小于大震彈性基底剪力，與經(jīng)驗值相符合。

圖6 X方向最大樓層位移及剪力曲線Fig.6 Maximum Floor Displacement and Shear Curve in X Direction

表5 各組波的彈性時程剪力與彈性振型分解反應(yīng)譜的剪力對比Tab.5 Comparison of Elastic Time History Shear Force and Elastic Mode Decomposition Response Spectrum of Each Wave

⑶大震下彈塑性位移角普遍大于彈性位移角，說明都已進(jìn)入了非線性，但程度有些不同。大震下6組波的X 方向平均位移角最大值位于7 層，位移角最大值為1/310，Y 方向平均位移角最大值位于12 層，位移角最大值為1/337。

3.2.3 構(gòu)件損傷

地震作用下結(jié)構(gòu)的損傷是一個逐漸發(fā)展的過程，首先出現(xiàn)損傷的構(gòu)件將起到消耗地震能量的作用。損傷順序是否合理是結(jié)構(gòu)方案設(shè)計是否合理的一個重要評斷依據(jù)。

各條波下結(jié)構(gòu)損傷順序有些差別，但總體上規(guī)律基本一致。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計規(guī)范：CECS 392—2014》中建議的判定原則，給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件按應(yīng)變評估的損傷等級判定結(jié)果，如圖7所示。圖7顯示，結(jié)構(gòu)梁損傷比柱更明顯，梁出現(xiàn)了中度以上的損壞、少數(shù)嚴(yán)重?fù)p壞。墻柱只有4.00%的構(gòu)件進(jìn)入了輕微損壞，0.23%的構(gòu)件進(jìn)入了輕度損壞，沒有中度及嚴(yán)重?fù)p壞。上述結(jié)果滿足大震性能目標(biāo)的要求。

圖7 損傷等級顯示Fig.7 Display of Damage Level

3.2.4 小結(jié)

⑴各層彈塑性位移角最大值均在1/187 以內(nèi)，滿足規(guī)范對框剪結(jié)構(gòu)C 級性能目標(biāo)彈塑性位移角限值1/125，說明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，能保持主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不至于倒塌。

⑵連梁從上至下破壞比較嚴(yán)重，且多道連梁均損壞比較嚴(yán)重，而剪力墻在底部加強(qiáng)區(qū)破壞相對明顯；框架梁、柱破壞程度不大，且梁損傷大于柱損傷，滿足二道防線的抗震設(shè)防思想。

⑶分析結(jié)果顯示，本項目在首層局部剪力墻及柱出現(xiàn)鋼筋抗拉應(yīng)變達(dá)到輕度損壞的損傷等級，對此位置采取加強(qiáng)處理措施，如適當(dāng)增加配筋等。

3.3 樓板應(yīng)力分析

首層～3 層、5 層開洞面積大于30%，屬于樓板局部不連續(xù)，同時首層～3層斜柱的設(shè)置對斜柱頂部的樓板產(chǎn)生拉力。本項目計算選擇裙樓大開洞樓層、斜柱頂部樓層和塔樓標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行中震下的樓板應(yīng)力分析。典型樓層中震下樓板的主拉應(yīng)力如圖8所示。

圖8 5層樓板X方向樓板主拉應(yīng)力Fig.8 Main Tensile Stress of the Fifth Floor in X Direction（MPa）

在中震作用下，樓板的拉應(yīng)力一般部位不超過3.1 MPa。板筋采用HRB400，配置雙層雙向φ 10@150，可滿足中震彈性的要求。局部存在應(yīng)力集中，部分應(yīng)力值為7～11 MPa。采用角部加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)。

3.4 穿層柱計算分析

門診樓M-2 在首層～3 層、4～7 層因建筑要求，存在穿層柱，位置如圖9所示。

圖9 穿層柱屈曲模態(tài)示意圖Fig.9 Buckling Mode Diagram of through Story Column

通過YJK 整體模型進(jìn)行屈曲模態(tài)分析，考慮了樓面梁對穿層柱抗側(cè)貢獻(xiàn)，從而得到屈曲系數(shù)和歐拉臨界力Pcr，確定穿層柱計算長度系數(shù)［7-8］。

1～4 層穿層柱KZ1 截面φ 1 000（t=30），高度為19.80 m，混凝土C50，柱頂荷載為3 283 kN。整體模型計算結(jié)果，屈曲第一模態(tài)系數(shù)為72.94。

5～7 層穿層柱KZ2 截面φ 800，高度為16.50 m，混凝土C40，柱頂荷載為871 kN。整體模型計算結(jié)果，屈曲第一模態(tài)系數(shù)為59.38。

據(jù)式⑴，穿層柱計算長度系數(shù)為：從上述分析得出的計算長度系數(shù)如表6所示，結(jié)果小于文獻(xiàn)［1］的計算長度1.25，因此本項目穿層柱按文獻(xiàn)［1］規(guī)定的計算長度安全可靠。

表6 穿層柱計算長度系數(shù)Tab.6 Effective Length Coefficient of through Story Column

3.5 大跨度屋蓋分析

大跨度屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)，采用YJK 軟件與主體混凝土結(jié)構(gòu)一起建模進(jìn)行整體分析，并考慮局部大跨度構(gòu)件的豎向地震作用［9-10］。典型桁架布置如圖10所示。

圖10 典型桁架立面Fig.10 Typical Truss Elevation （mm）

對鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震驗算，典型桁架中震下應(yīng)力比如圖11 所示?？梢娮畲髴?yīng)力比在中間支座斜腹桿，為0.71，滿足中震彈性的要求。

圖11 典型桁架中震應(yīng)力比Fig.11 Seismic Stress Ratio of Typical Truss

4 結(jié)語

本項目屬于超限高層，結(jié)構(gòu)存在樓板不連續(xù)、立面收進(jìn)、穿層柱、大懸挑等復(fù)雜情況。結(jié)構(gòu)設(shè)計中除進(jìn)行常規(guī)的反應(yīng)譜分析外，還對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時程分析，對大震下的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及構(gòu)件性能進(jìn)行評價。同時有針對性地進(jìn)行中震下樓板應(yīng)力分析、穿層柱長度系數(shù)分析、大懸挑鋼結(jié)構(gòu)桁架應(yīng)力分析，確保了結(jié)構(gòu)的安全。