余驪影，范 進(jìn)

(1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094；2.上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041)

1 項(xiàng)目概況

上海第六人民醫(yī)院骨科臨床診療中心項(xiàng)目(效果圖見圖1)總建筑面積68 524 m2，地上15層高度57.2 m，地下3層深度19 m。本工程為扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度不規(guī)則的超限高層裝配式建筑，同時考慮建筑施工功能要求，采用鋼框架+防屈曲波紋鋼板墻+屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系。

圖1 項(xiàng)目效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系選型

診療中心若采用框架結(jié)構(gòu)，位移角雖能滿足規(guī)范1/250要求，但是純框架結(jié)構(gòu)缺少二道防線，對乙類建筑來說安全冗余度較小，且地震作用下水平位移較大，會導(dǎo)致兩樓間抗震縫寬度非常大，建筑上難以銜接處理。若采用混凝土核心筒+鋼框架結(jié)構(gòu)，診療中心樓電梯間偏置，利用其構(gòu)造核心筒導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著，計算結(jié)果也不理想。

故該中心選用鋼框架+防屈曲波紋鋼板墻(NCB)+屈曲約束支撐(BRB)結(jié)構(gòu)體系。小震下，NCB和BRB提供抗側(cè)剛度，中震和大震下可耗能，減小鋼框架的地震損傷。NCB與BRB均為防屈曲的消能減震構(gòu)件，前者優(yōu)勢在于布置靈活、方便建筑開洞，后者優(yōu)勢是比較通透。本工程因?yàn)榻ㄖ贾玫脑?，同時采用了NCB和BRB兩種消能構(gòu)件。

3 彈性分析及其主要結(jié)果

本工程采用PMSAP和YJK兩種軟件進(jìn)行多遇地震下彈性分析。水平和豎向地震作用計算采用振型分解反應(yīng)譜法，考慮重力二階效應(yīng)，水平地震作用考慮雙向地震以及偶然偏心的影響，且進(jìn)行彈性時程分析作為補(bǔ)充。為考慮高階振型影響，結(jié)構(gòu)分析采用振型數(shù)取15，各階振型貢獻(xiàn)按CQC組合。計算結(jié)果顯示，兩軟件考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的前6階自振周期相似，扭轉(zhuǎn)平動周期比在0.81和0.804，地震下最大層間位移角1/383，位移比1.28，剪重比3.14%，風(fēng)載下最大層間位移角1/1 052，皆滿足抗規(guī)限值。

按照抗規(guī)，帶支撐框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度可采用剪彎剛度[2]，YJK結(jié)果顯示，所有樓層的剪彎剛度和樓層抗剪承載力比也均滿足規(guī)范要求，因此，診療中心結(jié)構(gòu)沒有薄弱層與軟弱層，地震層剪力無需放大。分塔后，各層0.2V0調(diào)整系數(shù)均為1.0，地震層剪力無需放大。小震下鋼框架柱最大應(yīng)力比為0.71，鋼框架梁最大應(yīng)力比為0.96，位于梁端，節(jié)點(diǎn)設(shè)計值梁端加腋可減小應(yīng)力比。

根據(jù)場地周期Tg相近原則選用七組地震波(SHW1、SHW4、RH4TG090、TH1TG090、Kocaeli、Irpinia、Chi-Chi)，加速度時程曲線最大值為35 cm/s2。根據(jù)底部剪力的時程分析結(jié)果可得，在各相應(yīng)周期點(diǎn)上，七組時程曲線的地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)相差在5%～15%，七波平均值相差12%，滿足地震波頻譜特性要求[2]。

4 中庭側(cè)墻穩(wěn)定分析

綜合樓和診療中心之間的中庭側(cè)墻和頂棚均附著于診療中心布置。頂棚采用變截面鋼梁懸挑，懸挑長度為8～9 m。側(cè)墻通高37.2 m，為增加其側(cè)向剛度，在每層布置1.5 m寬的水平桁架，并由四角立柱構(gòu)成一個整體的豎向桁架。豎向桁架頂與頂棚鋼梁連接，作為頂棚鋼結(jié)構(gòu)的豎向支承，頂棚鋼結(jié)構(gòu)也作為豎向桁架的側(cè)向支承。豎向桁架面外厚度較小，高度較高，存在整體或局部失穩(wěn)的可能，故需對側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行Midas Gen穩(wěn)定性驗(yàn)算。

設(shè)計中，采用1.0D+1.0L組合進(jìn)行靜力屈曲分析。中庭側(cè)墻的第一階屈曲模態(tài)出現(xiàn)在整體結(jié)構(gòu)的第30階模態(tài)，如圖2所示，按該屈曲模態(tài)賦予整體跨度1/300的初始缺陷，進(jìn)行幾何非線性穩(wěn)定分析[4]。以側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)中典型節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)控位移點(diǎn)，其荷載-位移曲線如圖3所示。結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性極限承載力時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限承載力臨界系數(shù)K>5，滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

圖2 第一階屈曲模態(tài) 圖3 監(jiān)測點(diǎn)側(cè)向位移-荷載曲線

5 整體模型罕遇地震下結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析

5.1 分析方法和軟件

本工程的彈塑性分析是基于顯式積分的動力彈塑性分析，采用PERFORM-3D對結(jié)構(gòu)地震作用下的非線性反應(yīng)進(jìn)行模擬。梁單元采用端部集中塑性區(qū)、中部彈性梁的組合單元，墻、柱單元采用纖維截面。波紋鋼板墻采用Infill Panel,Shear Model進(jìn)行模擬，雙階屈服屈曲約束支撐采用Inelastic

steel material,Non-Buckling進(jìn)行模擬。

整個分析分為兩步進(jìn)行：第一步：“恒+0.5活”加載計算。第二步：地震波時程計算。采取人工波SHW8和天然波SHW10、SHW13，雙向同時輸入，主、次向幅值比為1.0∶0.85。中震地震波的峰值按100 cm/s2；大震地震波的峰值取200 cm/s2。

5.2 總體分析結(jié)果

三組地震波作用下基底剪力值約37 661～52 372 kN，大震下時程分析基底剪力與小震下反應(yīng)譜基底剪力比值約3.4～4.4，說明通過增設(shè)NCB和雙階BRB，可有效耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。各組地震波作用下，結(jié)構(gòu)依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，整體未出現(xiàn)不可恢復(fù)側(cè)向變形，雙向?qū)娱g位移角分布在1/153～1/111，滿足1/100的限值要求。各條波作用下層剪力曲線變化形式基本一致。

5.3 時程曲線

以SHW13為例，圖4為大震下X向基底剪力時程曲線，可以看出，彈塑性分析的基底剪力峰值和頂點(diǎn)位移峰值均比彈性時程的有所減小，表明彈塑性分析中結(jié)構(gòu)有構(gòu)件進(jìn)入屈服，減小了結(jié)構(gòu)的剛度和地震力的輸入。圖5為大震下X向頂層位移時程曲線，可以看出，加載前30 s，彈塑性與彈性時程曲線基本重合，30 s后，彈塑性時程曲線逐漸延后于彈性時程曲線，即彈塑性時程曲線晚于彈性時程曲線出現(xiàn)，表明結(jié)構(gòu)的自振周期增大。

5.4 構(gòu)件損傷和附加阻尼比

以SHW13為例，大震下，大部分梁出現(xiàn)輕度損壞或中度損壞；更多的柱出現(xiàn)輕度損傷，小部分柱出現(xiàn)中度損傷；子結(jié)構(gòu)梁出現(xiàn)輕度損壞或中度損壞，子結(jié)構(gòu)柱個別出現(xiàn)輕度損壞；關(guān)鍵構(gòu)件中，部分梁柱出現(xiàn)輕度損傷。結(jié)構(gòu)梁的塑性損傷重于柱的塑性損傷，滿足強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計準(zhǔn)則。大震下NCB和雙階BRB均可屈服耗能，滯回曲線更加飽滿。通過NCB和雙階BRB耗能，中震下結(jié)構(gòu)X和Y方向最小的附加阻尼比為1.3%和1.0%；大震下結(jié)構(gòu)X和Y方向最小的附加阻尼比為2.5%和2.6%。

6 結(jié) 論

上海第六人民醫(yī)院骨科大樓臨床門診中心診療中心為扭轉(zhuǎn)及側(cè)向剛度不規(guī)則的超限高層建筑。本文通過盈建科和PMSAP振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析法對結(jié)構(gòu)多遇地震進(jìn)行彈性分析，結(jié)構(gòu)體系整體安全合理。中庭側(cè)墻非線性穩(wěn)定分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定性極限承載力時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限承載力臨界系數(shù)K>5，關(guān)鍵性構(gòu)件安全穩(wěn)定。波紋鋼板墻和雙階屈服屈曲約束支撐雙耗能形式，為結(jié)構(gòu)提供一定剛度和所需的附加阻尼比。通過彈塑性動力時程分析，驗(yàn)證罕遇地震下鋼板墻與屈曲約束支撐的增設(shè)使得診療中心具有更好的抗震性能，滿足規(guī)范關(guān)于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

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