某衛(wèi)生中心超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

摘要：介紹了某衛(wèi)生中心的超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于建筑功能的要求，東側(cè)及北側(cè)存在斜柱。采用SATWE及MIDAS/GEN軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性階段的對(duì)比分析，針對(duì)本工程的特殊性，制定了基于整體及構(gòu)件的性能化目標(biāo)，以確保結(jié)構(gòu)安全，使其具有較好的抗震性能

關(guān)鍵詞：超限高層;斜柱;抗震性能化設(shè)計(jì)

一、工程概況

本工程位于安徽省合肥市，項(xiàng)目建設(shè)總建筑面積為72937.43㎡，其中地上建筑面積約51247.43㎡，地下建筑面積約21150㎡。整個(gè)建設(shè)用地由A座、B座，C座，D座四棟塔樓及一層地下室組成，各塔樓高度，分別為：A座77m、B座24m、C座35m、D座49m，建筑效果圖如圖1所示。

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限均為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，地下室防水等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防類別為乙類（重點(diǎn)設(shè)防類），抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地類別Ⅱ類，特征周期Tg=0.38s，地面粗糙類別為B類，50年一遇基本風(fēng)壓為0.35kN/m2（承載力設(shè)計(jì)時(shí)，按0.385 kN/m2），基本雪壓為0.60kN/m2。地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。A座采用鋼筋混凝凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架及抗震墻抗震等級(jí)均為一級(jí)。

二、結(jié)構(gòu)體系

（一）結(jié)構(gòu)體系概述

A座塔樓高度為77m，18層，為追求建筑效果，采用層層收進(jìn)的形式，底層建筑寬度約為37.2m，長(zhǎng)度約為75.2m，標(biāo)準(zhǔn)層寬度約為25.0m，長(zhǎng)度約為42.6m。主要采取的柱網(wǎng)尺寸為9.6m×8.4m、8.1×8.4、6.6×8.4三種，結(jié)構(gòu)最大懸挑約為5m。框架柱主要以鋼筋混凝土柱為主，北側(cè)及東側(cè)布置鋼管混凝土斜柱。為滿足建筑立面及使用功能要求，最終結(jié)構(gòu)方案存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（偏心布置），樓板不連續(xù)，局部斜柱等不規(guī)則現(xiàn)象。2層及標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2，三維模型見圖3

（二）地基及基礎(chǔ)

場(chǎng)地第③層粘土層土層較厚，厚度近40m，場(chǎng)地地下水分布以潛水分布為主，抗浮水位為室外地坪下1.0m。A座采用樁筏基礎(chǔ)，樁型采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，直徑500mm，豎向單樁承載力為1500kN，考慮到斜柱斜插入底板，存在較大的水平分力，故筏板厚度取1200mm，并且填芯以增加斜柱處樁水平抗剪能力，B、C、D座采用樁基承臺(tái)加防水板形式，防水板厚度500mm，純地下室部分不滿足整體抗浮要求，故此處采用抗拔樁來抵消水浮力。

（三）超限判別

（1）由于建筑第2～9層?xùn)|側(cè)為通高中庭，質(zhì)量偏心嚴(yán)重，造成結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.37，各層最大偏心率Eex=0.60，Eey=0.30;（2）建筑第2～9層中庭處及第18層應(yīng)急指揮中心有開大洞，造成局部樓板有效寬度小于典型樓板寬度的50%;（3）建筑第1～8層北側(cè)及東側(cè)存在穿層斜柱（斜柱處典型剖面見圖4），第12層樓面處存在拖柱轉(zhuǎn)換情況。

根據(jù)全國(guó)超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)，本工程存在的超限情況主要包括：1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;2）偏心布置;3）樓板不連續(xù);4）局部不規(guī)則

三、抗震性能目標(biāo)及超限設(shè)計(jì)

（一）抗震性能目標(biāo)

A座塔樓為規(guī)則性超限高層建筑，采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，以提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠性，滿足小震不壞，中震可修，大震不倒的設(shè)防目標(biāo)，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，本工程進(jìn)行抗震性能評(píng)估時(shí)，要求在多遇地震（小震）下，滿足性能水準(zhǔn)1的要求，在設(shè)防烈度地震（中震）下，滿足性能水準(zhǔn)3的要求，在預(yù)估罕遇地震（大震）下滿足性能水準(zhǔn)4的要求，即性能目標(biāo)定位C級(jí)。結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)詳見表1

（二）多遇地震作用下的計(jì)算和分析

結(jié)構(gòu)在多遇地震下的整體計(jì)算采用SATWE和MIDAS進(jìn)行對(duì)比分析，主要對(duì)比結(jié)果見表2，從表中可以看出兩種軟件計(jì)算結(jié)果比較接近，主要計(jì)算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)體系比較合理

（三） 設(shè)防地震作用下的計(jì)算和分析

根據(jù)表1中不同構(gòu)件性能目標(biāo)的不同，采用SATWE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了中震彈性、中震不屈服的等效彈性計(jì)算，主要參數(shù)見表3，并在后續(xù)的施工圖設(shè)計(jì)中相關(guān)構(gòu)件按計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（四）小偏心受拉剪力墻墻肢全截面平均名義拉應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)（2015版）》，應(yīng)驗(yàn)算小偏心受拉構(gòu)件的名義拉應(yīng)力是否滿足要求，并按特一級(jí)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，采取的組合工況為1.0恒+0.5活+1.0地震，此時(shí)應(yīng)不考慮由于薄弱層等因素按規(guī)范相應(yīng)調(diào)整的地震內(nèi)力，即宜用不考慮地震力放大的標(biāo)準(zhǔn)組合內(nèi)力計(jì)算偏心受拉剪力墻墻肢的名義拉應(yīng)力：

經(jīng)計(jì)算，所有墻肢在中震下名義拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

（五）躍層柱長(zhǎng)細(xì)比分析

A座的南側(cè)及東側(cè)存在躍層柱，尤其是東側(cè)由于建筑中庭的原因，存在跨越多層的斜柱（中庭處典型剖面見圖4），由于躍層柱、樓板、核心筒體等構(gòu)件相互約束、相互支撐，躍層柱的屈曲穩(wěn)定必然會(huì)受到周邊構(gòu)件的約束影響，因此躍層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)采用結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行屈曲分析，根據(jù)分析結(jié)果合理確定。躍層柱的分布情況見圖2

采用MIDAS/GEN對(duì)躍層柱進(jìn)行屈曲分析，為加快躍層柱的屈曲，在所分析的躍層柱柱頂施加100000～100000kN不等的外力。得到各個(gè)躍層柱的屈曲臨界荷載，然后根據(jù)歐拉公式反推算各柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，其表達(dá)式為：

其中：EI 為柱沿屈曲方向的截面彈性抗彎剛度;Pcr為柱的屈曲臨界荷載; L為躍層柱的幾何長(zhǎng)度（斜柱取斜向幾何長(zhǎng)度）

分析得到的躍層柱計(jì)算長(zhǎng)度和計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)詳表4，實(shí)際設(shè)計(jì)中的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》偏安全的選取。典型柱屈曲模態(tài)見圖6

四、結(jié)語：

（1）A#塔樓，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、樓板不連續(xù)、局部不規(guī)則，屬于超限工程，通過采用多種分析手段，進(jìn)行有針對(duì)性的抗震措施，可以使其具有良好的抗震性能。

（2）采用兩個(gè)不同的有限元軟件MIDAS/GEN，SATWE進(jìn)行分析，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)比較接近，并滿足相關(guān)規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)體系比較合理

（3）在中震作用下，各構(gòu)件滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)，針對(duì)不同構(gòu)件在施工圖設(shè)計(jì)中對(duì)計(jì)算結(jié)果取小震及中震的包絡(luò)設(shè)計(jì)值

（4）對(duì)中震下產(chǎn)生小偏心受拉的墻肢，配筋適當(dāng)加強(qiáng)，按特一級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)

（5）對(duì)結(jié)構(gòu)中存在的躍層柱進(jìn)行屈曲分析，合理確定其計(jì)算長(zhǎng)度，已達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用的要求。

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作者簡(jiǎn)介：王洋，碩士研究生，工程師。