張兆超，韓振林，董傳磊

(山東省建筑設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250001)

1 工程概況

本工程為山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院西院區(qū)綜合樓建設(shè)項目，位于濟南市歷下區(qū)，由高層主樓和多層裙房組成。項目整體規(guī)劃，分期建設(shè)，本文介紹一期部分。該一期項目總建筑面積109 987.11 m2，其中地上建筑面積75 656.16 m2，地下建筑面積34 330.95 m2。本工程地下部分為3層，地上部分由5層裙房(門診醫(yī)技)和15層主樓(病房)兩部分組成。首層室內(nèi)外高差為0.30 m，地下3層～地下1層層高分別為4.1 m,4.1 m,4.8 m，地上1層層高為6.00 m，2層～5層層高為4.50 m，6層及以上層高為3.90 m，結(jié)構(gòu)高度為66.30 m(裙房結(jié)構(gòu)高度為24.60 m)，結(jié)構(gòu)平面尺寸為102.55 m(東西)×163.20 m(南北)。

本工程地上、地下部分均不設(shè)變形縫，整個工程連為一體，地下1層頂板為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。建筑效果圖見圖1。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。地基基礎(chǔ)的設(shè)計等級為甲級，抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，地震作用按0.15g計算，抗震等級按8度。設(shè)計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅱ類，規(guī)范反應(yīng)譜特征周期為Tg=0.45 s。計算地震作用時，采用GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[1]第5.1.5條提供的地震影響系數(shù)曲線，多遇地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.12，基本地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.34，罕遇地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.72。結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。彈性時程分析時輸入地震加速度的最大值為55 cm/s2。基本風(fēng)壓應(yīng)按50 a重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用，基本風(fēng)壓值w0=0.45 kN/m2，承載力設(shè)計時取基本風(fēng)壓的1.1倍，地面粗糙度類別按B類。

2 基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)場地巖土工程勘察報告，基礎(chǔ)持力層為④層閃長巖殘積土，承載力特征值為380 kPa，天然地基滿足結(jié)構(gòu)荷載要求，主樓及裙房均采用筏板基礎(chǔ)，其中主樓筏板厚度為1 700 mm、裙房及地下車庫筏板厚度為1 200 mm。

由于場區(qū)地下水位較高，自筏板底算起的抗浮水頭為13.0 m，純地下室及門診大廳無上部結(jié)構(gòu)的部分采用抗浮錨桿。錨桿直徑250 mm，有效長度按10 m，單根錨桿抗拔承載力特征值為210 kN，間距為1.6 m。

3 結(jié)構(gòu)體系與布置

結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，利用樓電梯間形成的交通核心設(shè)置剪力墻，同時考慮結(jié)構(gòu)體型及框-剪結(jié)構(gòu)的剪力墻布置要求，在適當(dāng)位置設(shè)置剪力墻，形成具有多道抗震防線的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，保證了整個建筑物的抗震性能。根據(jù)性能化設(shè)計的要求，部分剪力墻墻肢較厚，混凝土剪力墻的厚度最厚為550 mm、最薄為250 mm；剪力墻混凝土強度等級自下部的C60變化至上部的C40?？蚣苤鶆t是自下而上混凝土強度等級由C60到C40均勻變化，并且與截面的縮小分層進行，以保證結(jié)構(gòu)自下而上剛度的均勻變化。梁板混凝土強度等級為C30。剪力墻的抗震等級為一級，框架的抗震等級為一級(體型收進部位周邊柱提高至特一級)。主樓的樓蓋采用主次梁體系，各樓層的樓板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，板厚一般為120 mm，在部分特殊部位的樓板進行了加厚、加強處理。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面示意圖見圖2。

4 結(jié)構(gòu)超限類別和要求

主樓的結(jié)構(gòu)高度均為66.300 m，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]中A級高度鋼筋混凝土高層建筑關(guān)于高度方面的有關(guān)規(guī)定，高度不超限。

本工程非大跨結(jié)構(gòu)，也不存在轉(zhuǎn)換層、加強層、錯層、連體等復(fù)雜高層情況。但是，本工程存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、體型收進，以及局部穿層柱，達到三項不規(guī)則情況，為抗震超限高層結(jié)構(gòu)[3]。此外，底部裙房的平面尺寸東西為102.55 m、南北為163.20 m，結(jié)構(gòu)超長，需考慮樓板的溫度應(yīng)力及中震和大震下的樓板應(yīng)力。

5 計算分析

5.1 小震彈性反應(yīng)譜分析

小震彈性反應(yīng)譜整體分析采用YJK和Midas building軟件，兩個軟件的計算結(jié)果進行比較，確保整體模型計算的可靠性。僅考慮水平地震作用，不考慮豎向地震作用。地震作用計算時采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響的振型分解方法，并考慮偶然偏心和雙向地震的影響。混凝土容重為26 kN/m3，連梁剛度折減系數(shù)為0.6，中梁剛度增大系數(shù)為2.0，框架梁梁端負彎矩調(diào)幅系數(shù)為0.85，梁內(nèi)力增大系數(shù)為1.0，梁扭矩折減系數(shù)為0.4，周期折減系數(shù)采用0.80，地震和風(fēng)荷載計算考慮最不利作用方向，上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位為地下室頂板。兩種軟件的三維計算模型如圖3所示。

分析結(jié)果顯示，計算結(jié)果均差別不大，各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求。計算振型數(shù)為15個，其中前10階振型見表1，可以看出，兩種軟件計算的結(jié)構(gòu)主要周期差別不大，可以采信；結(jié)構(gòu)周期比Tt/T1，YJK計算為0.83，Midas計算為0.86，均滿足A級高度高層建筑限值0.90的規(guī)定。

表1 模態(tài)分析主要計算結(jié)果

圖4～圖7給出兩種軟件計算的地震下的位移及位移角對比，結(jié)果顯示，兩種計算軟件的計算結(jié)果基本一致，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

5.2 小震彈性時程計算分析

地震波采用兩組實際強震記錄天然波1 Big Bear-01_NO_907,Tg(0.43)、天然波2 Coalinga-01_NO_364,Tg(0.44)和一組人工模擬地震波人工波1 ArtWave-RH2TG045,Tg(0.45)，輸入YJK軟件進行彈性時程分析。所采用3組地震加速度時程曲線均滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間。分析結(jié)果見表2。

表2 小震彈性時程分析的主要結(jié)果及與反應(yīng)譜法的對比

從表2中可以看出，時程分析時，每條時程曲線計算所得X向、Y向的結(jié)構(gòu)底部最小剪力均分別大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的65%；3條時程曲線計算所得X向、Y向的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均大于相應(yīng)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，所選地震波滿足規(guī)范要求。

3組地震波作用下，樓層位移角均小于反應(yīng)譜法的計算結(jié)果；3組地震波作用樓層地震剪力的包絡(luò)值在結(jié)構(gòu)大部分樓層均小于規(guī)范反應(yīng)譜法的計算結(jié)果，說明在這些樓層規(guī)范反應(yīng)譜法的計算結(jié)果可以滿足設(shè)計要求，但少部分樓層出現(xiàn)了3組波的包絡(luò)反應(yīng)值大于反應(yīng)譜法計算結(jié)果的情況，需要對反應(yīng)譜法的計算結(jié)果進行特殊處理。具體處理辦法是在結(jié)構(gòu)整體配筋計算時，采用在YJK軟件中將此類樓層的地震剪力乘以放大系數(shù)的方法予以解決，此放大系數(shù)為各樓層3組波的包絡(luò)地震剪力與規(guī)范反應(yīng)譜法計算結(jié)果的比值。

5.3 性能化設(shè)計

為保證結(jié)構(gòu)的安全，需要提高重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度水平。底部加強區(qū)剪力墻和框架柱為主要豎向抗側(cè)力構(gòu)件，對于保證整體結(jié)構(gòu)的剛度和承載力起著關(guān)鍵作用，為此，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)底部加強區(qū)(裙房以上一層)取C級、底部加強區(qū)以上取D級。對于底部加強區(qū)剪力墻和框架柱按中震抗彎不屈服、抗剪彈性和大震抗剪不屈服包絡(luò)設(shè)計；對于躍層柱按中震抗彎、抗剪彈性和大震抗彎、抗剪不屈服包絡(luò)設(shè)計；非底部加強區(qū)剪力墻和框架柱按中震抗彎、抗剪不屈服設(shè)計。

采用YJK軟件按等效彈性振型分解反應(yīng)譜法進行計算。

計算結(jié)果表明，關(guān)鍵構(gòu)件在中震彈性工況下未出現(xiàn)抗剪超筋信息，在中震不屈服工況下未出現(xiàn)抗彎超筋信息；同時，關(guān)鍵構(gòu)件的最大剪力與截面抗剪承載力之比均不大于1.0，說明各關(guān)鍵構(gòu)件滿足本工程設(shè)定的抗震性能目標(biāo)要求。此外，普通豎向構(gòu)件及耗能構(gòu)件均滿足本工程的既定設(shè)計目標(biāo)，結(jié)構(gòu)安全可靠。

本工程所建場地抗震設(shè)防烈度較高，部分剪力墻墻肢在地震作用下所受拉力較大，需要對其進行雙向地震作用下的偏拉驗算。根據(jù)分析結(jié)果可知，一層墻肢拉力較大，部分受拉墻肢的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，因此，在對應(yīng)受拉墻肢超1.0的邊緣構(gòu)件內(nèi)設(shè)置型鋼，型鋼承擔(dān)拉應(yīng)力,同時對應(yīng)該區(qū)域墻肢的抗震構(gòu)造措施提高至特一級。二層僅個別墻肢拉應(yīng)力平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，處理措施同一層墻肢。

5.4 大震彈塑性時程分析

利用SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，選取罕遇地震水準(zhǔn)下的兩組天然波和一組人工波，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，將地震波加速度峰值調(diào)整為310 cm/s。

圖8，圖9為各地震波作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角曲線，可以看出，最大層間彈塑性位移角均小于規(guī)范規(guī)定的1/100，滿足大震不倒的設(shè)防要求。

三條地震波下剪力墻和連梁的性能分布狀態(tài)顯示，剪力墻未出現(xiàn)輕度的混凝土受壓損傷，鋼筋的塑性應(yīng)變基本小于3.5倍的鋼筋屈服應(yīng)變，可判斷底部剪力墻大部分處于輕度損壞的狀態(tài)。剪力墻連梁出現(xiàn)較為嚴(yán)重的受壓損傷，大部分處于重度損傷的狀態(tài)，說明剪力墻連梁在地震作用下首先屈服，很好的起到了耗能作用。圖10為天然波1,2剪力墻及連梁混凝土性能狀態(tài)分布圖。另外，底部框架柱在大震作用下出現(xiàn)較小的損傷，處于輕微損傷狀態(tài)?？蚣芰涸诖笳鹱饔孟鲁霈F(xiàn)較大的損傷，處于輕度～中度損壞狀態(tài)，起到了一定的耗散地震能量的作用；框架梁柱在剪力墻筒體剛度退化后起到了一定的抗側(cè)力作用，發(fā)揮了其作為二道防線的作用。

5.5 抗震構(gòu)造主要加強措施

針對本工程的具體特點與結(jié)構(gòu)超限情況，在設(shè)計中主要采取以下技術(shù)措施：

1)按規(guī)范要求從嚴(yán)控制底部加強區(qū)的剪力墻及框架柱的軸壓比，并適當(dāng)加大底部加強區(qū)范圍剪力墻的構(gòu)造配筋率，適當(dāng)加大穿層框架柱的配筋率和配箍率，并全高加密箍筋。

2)門診大廳上空各層樓板開洞，將洞口周邊樓板厚度加厚為150 mm，配筋計算時將該層樓板設(shè)為彈性板進行結(jié)構(gòu)整體計算，樓板配筋采用通長配筋并適當(dāng)加大配筋率(板配筋率不小于0.25%)處理，并按中震及大震下的樓板應(yīng)力分析結(jié)果進行配筋加強。

3)主裙樓之間在裙房屋面以上存在體型收進，收進位置較高，結(jié)構(gòu)剛度的突然降低使其形成薄弱部位，對結(jié)構(gòu)抗震不利。設(shè)計時，控制收進處底部樓層層間位移角不大于相鄰下部區(qū)段最大層間位移角的1.15倍；體型收進部位上下各2層周邊框架柱的抗震等級提高為特一級，并加強其配筋構(gòu)造措施；特一級框架柱設(shè)置芯柱；此層突變部位及上下層樓板加厚為150 mm，雙層雙向配筋，控制配筋率不小于0.30%，此層上下層結(jié)構(gòu)的樓板也相應(yīng)加強構(gòu)造措施，并按中震及大震下樓板應(yīng)力分析結(jié)果加強樓板配筋；底部加強區(qū)延伸至裙房頂上一層；將中部高層病房按單塔樓模型進行補充計算，并在施工圖設(shè)計時與整體模型計算結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計。

6 結(jié)語

針對本工程的特點和結(jié)構(gòu)超限情況，采用兩種軟件進行了比較分析，對多遇地震作用下進行了彈性時程的補充計算分析，按性能化設(shè)計的方法對結(jié)構(gòu)進行中、大震的性能化設(shè)計，并對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，各項結(jié)果表明結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)良好，均能滿足規(guī)范的各種要求。在特殊部位均進行了計算或構(gòu)造加強處理，以確保結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震目標(biāo)的實現(xiàn)。