袁 升，段 貝，程俊婷

（1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006；2.中機(jī)工程有限公司，浙江 杭州 310016）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)建筑的外型及使用功能需求的日益提高，體型不規(guī)則的建筑也增多，相應(yīng)的超限高層結(jié)構(gòu)也成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)之一。論文以某塔樓偏置的醫(yī)院建筑為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并將不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比。

1 工程概況

浙江省中醫(yī)院中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新基地項(xiàng)目位于杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū) 9 號(hào)大街 9 號(hào)，浙江省中醫(yī)院下沙院區(qū)院內(nèi)，是集醫(yī)療、教學(xué)、科研為一體的三級(jí)甲等綜合醫(yī)院建筑。設(shè)計(jì)方案為一棟帶裙樓的高層塔樓，總建筑面積約 5.47 萬(wàn) m2。地上裙房 5 層，總高度 23.1 m，塔樓 19 層，總高度 77.8 m，地上的主要功能為門(mén)急診、醫(yī)技、病房、科研教學(xué)等用房，首層層高為 5.4 m，裙房層高均為 4.5 m，塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的層高 3.9 m。地下室 2 層，主要功能為停車庫(kù)和設(shè)備用房。建筑效果圖如圖 1 所示。

圖1 建筑效果圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和使用年限均為 50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 1.1［1］?？拐鹪O(shè)防烈度為 7 度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為 Ⅲ 類，建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）。

2.1 風(fēng)荷載

采用 GB 50009－2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［2］中風(fēng)荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。塔樓位移驗(yàn)算時(shí)，基本風(fēng)壓w0按 50 年一遇標(biāo)準(zhǔn)取 0.45 kN/m2。塔樓從首層到主屋面高度為 77.8 m，至女兒墻高度為 82.1 m；故構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，按照 JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［3］（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）第 4.2.2 條，對(duì)基本風(fēng)壓放大 1.1 倍，因而實(shí)際基本風(fēng)壓取為 0.495 kN/m2。風(fēng)壓高度變化系數(shù)根據(jù) B 類地面粗糙度采用，風(fēng)荷載體型系數(shù)取為 1.4。

2.2 地震作用

GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）提供的多遇地震規(guī)范反應(yīng)譜，其中最大水平地震影響系數(shù)為 0.08。本項(xiàng)目小震按振型分解反應(yīng)譜法及3條選波的彈性時(shí)程分析進(jìn)行比較，各層地震作用按時(shí)程分析結(jié)果的最大值進(jìn)行放大調(diào)整。結(jié)合《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［5］的相關(guān)要求，中震和大震則采用規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行分析。小震計(jì)算時(shí)考慮周期折減系數(shù) 0.8，中震和大震時(shí)周期不折減；小震和中震時(shí)阻尼比取 0.05，大震時(shí)取 0.07。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

本項(xiàng)目中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新樓采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，具體布置如圖 2 所示。剪力墻作為主要的抗側(cè)力體系，能夠比較有效地進(jìn)行抗震、抗風(fēng)。框架不僅提供抗側(cè)力作用，同時(shí)也能配合建筑立面的要求。

圖2 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

3.2 性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

因存在豎向收進(jìn)，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及局部存在穿層柱、梁抬柱等，本結(jié)構(gòu)為超限高層結(jié)構(gòu)。按超限抗震設(shè)防專項(xiàng)審查［5］的要求進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)?？拐鹦阅苣繕?biāo)定為 C。根據(jù)高規(guī)第 3.11 節(jié)確定塔樓各構(gòu)件的性能要求，并對(duì)其中特別關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)性能要求進(jìn)行提高。按《抗規(guī)》表 M1.1.1-2 中性能要求 3 確定各地震水準(zhǔn)下塔樓的層間位移變形要求。結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的具體性能目標(biāo)如表 1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)

3.3 結(jié)構(gòu)主要抗震加強(qiáng)措施

1）提高重點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)。根據(jù)高規(guī)，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。體型收進(jìn)部位上下各兩層主樓周邊柱的抗震等級(jí)由一級(jí)提高為特一級(jí)；裙房局部轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁抗震等級(jí)由一級(jí)提高至特一級(jí)。

2）主樓與裙房相連的外圍框架柱，從固定端至裙房屋面上一層，提高柱縱向鋼筋的配筋率，柱箍筋在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密。裙房轉(zhuǎn)換柱箍筋全高加密，嚴(yán)格控制其軸壓比＜0.6［6］，并適當(dāng)提高柱配筋率（≥1.2 %）、配箍率（≥1.5 %）。

3）為確保上部結(jié)構(gòu)的地震作用可靠地傳遞到下部結(jié)構(gòu)，體型突變部位（裙房屋面）的樓板采用現(xiàn)澆樓板，樓板厚度≥ 150 mm，雙層雙向配筋，配筋率≥0.3 %，裙房屋面上、下層樓板配筋率加大。

4）主樓與裙房相連的外圍相關(guān)范圍框架梁，提高其配筋率且梁面鋼筋采取拉通配置；裙房遠(yuǎn)離主樓一側(cè)兩跨范圍抗側(cè)力構(gòu)件抗震措施提高一級(jí)［7］。

5）由于裙房存在樓板大開(kāi)洞的情況，需按彈性板驗(yàn)算所在樓層的樓板應(yīng)力，加大相鄰樓板的板厚和配筋。

4 整體指標(biāo)的控制

4.1 結(jié)構(gòu)彈性分析

多遇地震下的整體彈性分析采用 YJK 和 PMSAP兩種軟件進(jìn)行比較計(jì)算。由表 2 可見(jiàn)，兩種力學(xué)模型計(jì)算下的彈性分析結(jié)果如結(jié)構(gòu)總重量、底部總剪力、前三階周期等基本一致，周期比、位移比、位移角、剛重比、剪重比等均滿足規(guī)范要求。

表2 多遇地震作用下彈性分析主要指標(biāo)比較

根據(jù)《高規(guī)》第 10.6.5 條，地震作用下上部收進(jìn)結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角為X向、Y向，相鄰下部區(qū)段最大層間位移角為X向、Y向，兩者之比均＜1.15，滿足規(guī)范要求，收進(jìn)部位的樓層剛度相對(duì)變化均勻，說(shuō)明結(jié)構(gòu)布置較為合理。

4.2 彈性時(shí)程分析

為校核振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果，采用 YJK 對(duì)其進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析補(bǔ)充驗(yàn)算。選用 2 條天然地震波（Northridge-01_NO_944、Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2983）和 1 條人工波（ArtWave-RH4TG045），3 組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差≤20 %，滿足規(guī)范要求。

時(shí)程分析所得的基底剪力和規(guī)范反應(yīng)譜（即振型分解法 CQC）所得的基底剪力對(duì)比如表 3 所示。

表3 基底剪力

可見(jiàn)，時(shí)程分析所得的基底剪力均大于規(guī)范反應(yīng)譜所得的基底剪力的 65 %，時(shí)程分析所得的平均基底剪力大于規(guī)范反應(yīng)譜所得的基底剪力的 80 %，滿足高規(guī)第 5.1.2 條的要求。

將時(shí)程分析所得各樓層剪力的包絡(luò)值與反應(yīng)譜結(jié)果比較，對(duì)反應(yīng)譜的各樓層采取放大處理，放大系數(shù)取兩者相應(yīng)樓層剪力之比。

4.3 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)分析

基于性能的設(shè)計(jì)要求，豎向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)正截面承載力需要滿足中震不屈服設(shè)計(jì)要求，斜截面承載力需要滿足中震彈性設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行中震驗(yàn)算時(shí)，地震作用不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)，周期折減系數(shù)取為 1.0，考慮 7 度中震作用下結(jié)構(gòu)已開(kāi)裂，進(jìn)入彈塑性階段，阻尼比取 0.07。經(jīng)計(jì)算，一層框架柱的最大軸壓比為 0.47，最大剪壓比為 0.04，一層剪力墻的最大軸壓比為 0.4，最大剪壓比為 0.14。豎向構(gòu)件的軸壓比、剪壓比均滿足規(guī)范要求。中震計(jì)算下各結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋率較合理，可以達(dá)到相應(yīng)性能要求。

4.4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

為保證結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，采用 PKPM 做 Pushover 分析，以評(píng)估結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能。側(cè)向力采用倒三角形荷載，作用于X、Y兩個(gè)方向，考慮二階效應(yīng)的影響。

圖3 為主結(jié)構(gòu)在 7 度 0.1g罕遇地震作用下相應(yīng)的能力譜和需求譜曲線，X向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力為 49 462 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的 3 倍，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)有效周期為 2.465 s，性能點(diǎn)附加阻尼比為 0.054，對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為 1/279；Y向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力為 53 841 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的 3.5 倍，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)有效周期為 2.277 s，性能點(diǎn)附加阻尼比為 0.033，對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為 1/325。兩個(gè)方向的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層間位移角均＜1/100，可以滿足“大震不倒”的性能要求。

圖3 罕遇地震作用下能力曲線與需求曲線（X 向）

從整個(gè)推覆過(guò)程的出鉸狀態(tài)來(lái)看（見(jiàn)圖 4），核心筒內(nèi)的連梁和框架梁端首先出鉸，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，剪力墻和框架柱均無(wú)出鉸，剪力墻頂部局部位置出現(xiàn)破壞，但不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)，總體上符合預(yù)期的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 塑性鉸出現(xiàn)情況

5 超限結(jié)構(gòu)與設(shè)結(jié)構(gòu)縫的方案對(duì)比

5.1 設(shè)置結(jié)構(gòu)縫的結(jié)構(gòu)體系

在塔樓豎向收進(jìn)的位置設(shè) 120 mm 寬結(jié)構(gòu)縫，形成兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，左側(cè)塔樓的部分為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，右側(cè)裙房的部分為框架結(jié)構(gòu)體系。由于兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元均未超限，可僅按小震彈性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。由圖 5 可見(jiàn)，相比沒(méi)有設(shè)縫的超限結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)縫處增設(shè)了一排框架柱，同時(shí)在裙房和塔樓位置分別取消了 2 片和 1 片剪力墻區(qū)域。

圖5 設(shè)置結(jié)構(gòu)縫后的豎向構(gòu)件布置

5.2 設(shè)結(jié)構(gòu)縫前后的結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

1）從結(jié)構(gòu)概念上，應(yīng)盡可能地避免結(jié)構(gòu)薄弱位置的出現(xiàn)。對(duì)于存在豎向收進(jìn)的結(jié)構(gòu)，尤其像本項(xiàng)目存在收進(jìn)幅度較大的塔樓偏置情況，盡可能通過(guò)設(shè)置結(jié)構(gòu)縫使結(jié)構(gòu)形成若干結(jié)構(gòu)單元，減少結(jié)構(gòu)不規(guī)則性，提高抗震性能。

2）從建筑效果上，若設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，在一定程度上會(huì)影響立面效果，降低建筑整體觀感和品質(zhì)。同時(shí)在設(shè)縫處需進(jìn)行建筑連接處理，容易形成漏水等后期使用問(wèn)題。

3）從工程造價(jià)上，從全樓的混凝土和鋼筋的用量對(duì)比（見(jiàn)表 4），可見(jiàn)混凝土總量相差不大，僅為 2 %；鋼筋總量相差近 15 %，差距主要體現(xiàn)在剪力墻和框架柱上，可見(jiàn)不設(shè)縫的情況下，結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)和抗震措施加強(qiáng)，對(duì)于豎向抗側(cè)力構(gòu)件的布置和配筋率影響較大。

表4 設(shè)結(jié)構(gòu)縫與否的工程量對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)存在豎向收進(jìn)程度較大的高層建筑，可以采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，形成二道防線；合理布置剪力墻，保證設(shè)防地震作用下墻肢的平均拉應(yīng)力≤2 倍混凝土抗拉強(qiáng)度。

2）體型收進(jìn)部位的豎向構(gòu)件需加強(qiáng)，通過(guò)提高抗震等級(jí)、縱向鋼筋配筋率、箍筋加密等措施保證體型變化的上下層剛度差距不至于過(guò)大，避免形成薄弱層。

3）通過(guò)多遇地震和設(shè)防地震下的彈性分析、罕遇地震彈塑性分析指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的性能化目標(biāo)。

4）將塔樓偏置的超限高層結(jié)構(gòu)與設(shè)置結(jié)構(gòu)縫后的若干非超限結(jié)構(gòu)單元這兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行綜合對(duì)比，提供同類型建筑進(jìn)行方案比選的數(shù)據(jù)參考。Q