諸暨婦幼保健院住院樓超限高層抗震分析

王秀花

（上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041）

1 工程概況

諸暨市婦幼保健院住院樓，地下2層，地上12層，有3層裙房，層高別分為6m、5m、7.5m，4層4.5m，5~12層層高均為3.9m。裙房高度18.5m，高度54.2m，室內(nèi)外高差0.6m。采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，嵌固端為地下室頂板，基礎(chǔ)采用樁基承臺(tái)+筏板基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，地面粗糙度類(lèi)別為c類(lèi)，W0=0.45kN/m2，基本雪壓值S0=0.45kN/m2，設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，抗震設(shè)防烈度Ⅵ度（0.05g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組。本工程地震作用計(jì)算按Ⅵ度，抗震措施按Ⅶ度?？蚣苤拐鸬燃?jí)為三級(jí)，剪力墻二級(jí)。結(jié)構(gòu)的建筑剖面圖、三維模型圖、裙房結(jié)構(gòu)平面圖及標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見(jiàn)圖1~圖4。

圖1 建筑剖面

裙房尺寸為長(zhǎng)L=86.4m，寬B=81.3m，三層以上建筑平面呈兩個(gè)矩形角部重疊的細(xì)腰形，細(xì)腰處最小寬度為19m（含挑板）。三層以上立面收進(jìn)尺寸小于75%，收進(jìn)部位高度為H1=19.05m，總高H=54.6m，H1/H=0.35，大于規(guī)范限值0.2，為立面收進(jìn)結(jié)構(gòu)。各層樓板局部開(kāi)大洞，開(kāi)洞總面積大于樓面面積的30%。三層層高為7.5m，四層層高為4.5m，三層若豎向剛度不做加強(qiáng)將會(huì)存在薄弱層。

圖2 三維模型

圖3 裙房結(jié)構(gòu)平面

由于建筑的使用功能基本各層都不相同，可布置剪力墻的位置很少，主要在樓電梯區(qū)域布置剪力墻，剪力墻厚度為500~250mm，框架柱截面800×800~600×600，框架梁截面400×800，板厚130~200mm。

2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則分析及針對(duì)性的措施[1-2]

（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。本工程由于建筑功能布局及體型的要求，電梯間剪力墻偏置，平面上豎向構(gòu)件布置的剛度差異較大，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比1.38，大于1.2。計(jì)算分析：取雙向地震不計(jì)入偶然偏心及單向地震計(jì)入偶然偏心進(jìn)行計(jì)算；構(gòu)造措施，加大周邊框架梁截面，最左側(cè)軸線框架柱截面調(diào)整900×1000（其他柱800×800）截面增加，施工圖中加強(qiáng)其配筋。

表1 關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)圖結(jié)構(gòu)平面

（2）細(xì)腰形或者角部重疊形計(jì)算分析：補(bǔ)充0°、90°、45°、135°時(shí)程分析；補(bǔ)充細(xì)腰處樓板應(yīng)力分析。細(xì)腰區(qū)域水平構(gòu)件設(shè)定為關(guān)鍵構(gòu)件，并性能化設(shè)計(jì)；截面設(shè)計(jì)階段考慮軸力進(jìn)行拉彎設(shè)計(jì)；構(gòu)造措施細(xì)腰區(qū)域水平構(gòu)件抗震構(gòu)造等級(jí)提高一級(jí)，性能化設(shè)計(jì)并對(duì)配筋進(jìn)行加強(qiáng)。

（3）樓板不連續(xù)。有效板寬小于50%。計(jì)算分析：采用考慮樓板彈性變形的計(jì)算模型進(jìn)行樓板小震、中震作用下樓板應(yīng)力分析；構(gòu)造措施：采取樓板加厚（加厚至150mm）和增配鋼筋的措施滿足地震作用下樓板受力要求；加大開(kāi)洞位置處框架梁截面。

（4）尺寸突變。立面收進(jìn)高度35%，收進(jìn)尺寸大于25%。計(jì)算分析：尺寸收進(jìn)上下各一層剪力墻、框架柱作為關(guān)鍵構(gòu)件考慮。驗(yàn)算中震名義拉應(yīng)力，大震剪壓比，對(duì)樓板應(yīng)力進(jìn)行分析，控制中震下大部分樓板不開(kāi)裂，應(yīng)力較大的樓板可采用增大配筋，滿足樓板鋼筋應(yīng)力小于鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；構(gòu)造措施：對(duì)該層樓板特別加強(qiáng)，樓板厚度增加至150mm，雙層雙向配筋，樓板配筋率不小于0.25%；尺寸收進(jìn)上下一層豎向構(gòu)件抗震構(gòu)造等級(jí)提高一級(jí)?？刂屏⒚媸者M(jìn)上下層抗剪承載力之比不小于0.8。

（5）豎向構(gòu)件不連續(xù)。局部穿層柱。計(jì)算分析：穿層柱設(shè)定為關(guān)鍵構(gòu)件，并性能化設(shè)計(jì)；構(gòu)造措施：加大上下層樓板厚度，配筋雙層雙向并增大配筋率；增大穿層柱配筋，箍筋全長(zhǎng)加密，抗震構(gòu)造等級(jí)提高一級(jí)。

3 抗震設(shè)防性能目標(biāo)

本工程為平面和豎向均不規(guī)則的高層建筑，結(jié)合不規(guī)則情況對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，抗震性能目標(biāo)[1-2]設(shè)定如表1所示。

小震時(shí)所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，控制結(jié)構(gòu)層間位移角不大于1/1000。

大震時(shí)考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)，承載力達(dá)到極限值后保持穩(wěn)定，變形不大于0.9倍塑性變形限值，控制層間位移角小于1/110，控制豎向構(gòu)件損傷度，關(guān)鍵構(gòu)件承載力仍需滿足“屈服承載力設(shè)計(jì)”的要求；允許部分豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但不允許發(fā)生破壞且同一樓層的豎向構(gòu)件不宜全部屈服；耗能構(gòu)件發(fā)揮作用，允許發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞。結(jié)構(gòu)的抗震性能，如：彈塑性層間位移角、構(gòu)件屈服的次序、結(jié)構(gòu)的薄弱部位、整體結(jié)構(gòu)的承載力不發(fā)生下降等通過(guò)動(dòng)力彈塑性計(jì)算加以深入分析和確定。

中震時(shí)考慮部分構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，關(guān)鍵構(gòu)件如底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、細(xì)腰處及與之相連一跨的框架梁柱、穿層柱保持彈性保持不屈服，次要構(gòu)件允許進(jìn)入塑性狀態(tài)，但提高抗震構(gòu)造措施，承載力按標(biāo)準(zhǔn)值復(fù)核；耗能構(gòu)件允許部分進(jìn)入塑性狀態(tài)；控制結(jié)構(gòu)層間位移角不大于1/400。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析

4.1 采用盈建科（YJK）和MIDASGEN、ETABS三種分析程序計(jì)算對(duì)比分析

為正確模擬細(xì)腰處及開(kāi)洞處樓板應(yīng)力分布，對(duì)多遇地震分析采用盈建科（YJK）和MIDAS、ETABS三種分析程序進(jìn)行多遇地震下彈性計(jì)算對(duì)比分析，如表2所示。

表2 整體模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表2中可以看出，三種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)自重差值控制在5%以內(nèi)，同時(shí)X、Y兩個(gè)方向的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，符合抗規(guī)的設(shè)計(jì)要求。地震作用下基底剪力和基底總傾覆彎矩最大差值控制在10%以內(nèi)，且滿足規(guī)范要求的剪重比不小于0.8%。前三振型差值控制在5%以內(nèi)，YJK計(jì)算結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比Tt/T1=0.35<0.85；周期比均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱抗規(guī)）條文3.4.1的要求。結(jié)構(gòu)前2階平動(dòng)周期之比為T(mén)2/T1=0.97，表明兩個(gè)塔樓結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性接近，符合抗規(guī)條文3.5.3-3的要求。

4.2 多遇地震時(shí)程分析

4.2.1地震波選取時(shí)程分析

選擇5條天然波和2條人工波，加速度反應(yīng)譜、反應(yīng)譜平均值及規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比見(jiàn)圖5。從圖中可以看到，各條時(shí)程波的加速度反應(yīng)譜曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的加速度反應(yīng)譜曲線相比，在結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)上相差均小于20%，滿足規(guī)范要求[2]。

圖5 時(shí)程波與反應(yīng)譜對(duì)比（5%阻尼比）

4.2.2時(shí)程分析

由于結(jié)構(gòu)存在細(xì)腰，為準(zhǔn)確的分析，除進(jìn)行0°、90°方向彈性時(shí)程分析還增加了45°、135°方向的彈性時(shí)程分析。

彈性時(shí)程分析所得底部剪力結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果顯示，各條地震波均滿足《抗規(guī)》中規(guī)定的，每條地震波計(jì)算得到的底部剪力值在振型分解反應(yīng)譜法（CQC）求得的底部剪力的65%~135%之間，且多條地震波的底部剪力平均值在振型分解反應(yīng)譜法（CQC）求得的底部剪力的80%~120%之間。

表3 彈性時(shí)程分析底部剪力 單位：kN

MIDAS小震時(shí)程分析的樓層剪力，X向在1層及9層以上各樓層七條波時(shí)程剪力的平均值大于CQC法計(jì)算結(jié)果，平均值與CQC結(jié)果的比值在1.02~1.15之間；Y向各樓層七條波時(shí)程剪力的平均值均小于CQC法計(jì)算結(jié)果。

ETABS小震時(shí)程分析的樓層剪力，X向在8層以上各樓層七條波時(shí)程剪力的平均值大于CQC法計(jì)算結(jié)果，平均值與CQC結(jié)構(gòu)的比值在1.05~1.15之間；Y向在7層以上各樓層七條波時(shí)程剪力的平均值大于CQC法計(jì)算結(jié)果，平均值與CQC結(jié)構(gòu)的比值在1.05~1.20之間。

MIDAS、ETABS小震時(shí)程分析的層間位移角，七條地震波計(jì)算得到的兩個(gè)方向的最大層間位移角X向1/2577，Y向1/2545，均滿足1/800的要求。

綜合上述分析，結(jié)構(gòu)可按振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果，進(jìn)行基底剪力調(diào)整后進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。施工圖階段應(yīng)考慮雙向地震作用并考慮45°、135°方向地震力，且1~6層地震剪力乘以1.15系數(shù)，6層以上地震剪力乘以1.25系數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

4.3 樓板應(yīng)力分析

裙房頂板及各層開(kāi)大洞周?chē)鷺前寰x彈性板，采用有限元計(jì)算軟件MIDAS，進(jìn)行樓板的小震和中震下的應(yīng)力計(jì)算。細(xì)腰處樓板厚度定義200mm。

4.3.10°、90°和45°、135°方向小震樓板應(yīng)力分析

裙房頂板及四層樓板的平面應(yīng)力詳見(jiàn)圖6~圖7，樓板應(yīng)力分析結(jié)果表明，在小震作用下，除局部柱邊、板邊應(yīng)力集中處外，細(xì)腰部位絕大部分樓板內(nèi)主拉應(yīng)力都在0.5MPa~1.0MPa以內(nèi)，小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（C30，ftk=2.01MPa），滿足混凝土核心層不發(fā)生裂縫的要求，因此樓板可以保證在小震作用下能夠保持彈性。

圖6 裙房頂板平面應(yīng)力

4.3.20°、90°和45°、135°方向中震樓板應(yīng)力分析（見(jiàn)圖8）

樓板應(yīng)力分析結(jié)果顯示，在中震作用下，除局部柱邊、板邊應(yīng)力集中處，細(xì)腰部位絕大部分樓板內(nèi)主拉應(yīng)力都在2.5MPa~5.0MPa以內(nèi)，大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（C30，ftk=2.01MPa），樓板應(yīng)力不滿足混凝土核心層不發(fā)生裂縫的要求，因此樓板需配置通長(zhǎng)鋼筋以保證在中震作用下能夠保持彈性。在剛度較大的柱邊、板邊等處樓板拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土核心層開(kāi)裂退出工作，連接板中的拉應(yīng)力由上下鋼筋層承擔(dān)?？紤]增加該區(qū)域的配筋，讓配筋增加的部分來(lái)承擔(dān)相應(yīng)區(qū)域的拉應(yīng)力，以滿足中震下水平鋼筋不發(fā)生屈服的要求，σ1k，中震=fykAS/rREhS，中震下板內(nèi)最大拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為5.0MPa，板厚200mm，鋼筋按φ16@150滿足中震不屈服要求。

4.4 針對(duì)細(xì)腰結(jié)構(gòu)的模型包絡(luò)計(jì)算

由于裙房以上雙塔的重疊區(qū)域小（有效連接寬度僅19m），考慮大震工況下，有效連接區(qū)域失效后兩側(cè)單體能各自滿足“大震不倒”的要求，補(bǔ)充分析裙房以上單塔的整體指標(biāo)。

協(xié)調(diào)性能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮同時(shí)按雙塔樓結(jié)構(gòu)、單塔結(jié)構(gòu)兩種模型控制整體指標(biāo)，內(nèi)力計(jì)算及配筋也按兩種模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，如表4所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，整體和分單塔模型，位移、周期、地震剪力等信息均滿足規(guī)范要求，兩單塔的協(xié)調(diào)工作是成立的，該整體模型成立。

4.5 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

分析軟件采用PKPM-sausage，選取7條地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。每條地震波結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)歷程各有不同，但存在一些共同點(diǎn)，比如底層框架柱、收進(jìn)層框架柱先出現(xiàn)塑性鉸，部分跨高比較小的框架梁塑性轉(zhuǎn)角較大；最終較少部分框架柱進(jìn)入塑性階段，但不發(fā)生破壞。

圖8 四層樓板平面應(yīng)力（中震）

表4 整體和單塔模型計(jì)算結(jié)果（取嵌固端以上的結(jié)構(gòu)模型）

以其中一條波說(shuō)明，在時(shí)程分析過(guò)程中，地震發(fā)生最初一段時(shí)間內(nèi)（前10s）變現(xiàn)為彈性；在20s連梁處首先產(chǎn)生塑性鉸；在25s較多連梁出現(xiàn)塑性鉸，部分短跨連梁在中部、頂部出現(xiàn)較大的塑性轉(zhuǎn)角，個(gè)別達(dá)到LS；在25s~30s全樓塑性鉸數(shù)量無(wú)明顯變化，結(jié)構(gòu)收進(jìn)樓層極少部分框架柱進(jìn)入屈服階段，達(dá)到IO。

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在X方向的層間位移角最大值為1/472發(fā)生在第11層；結(jié)構(gòu)在Y方向的層間位移角最大值為1/394發(fā)生在第11層；最大層間位移角均滿足剪力墻結(jié)構(gòu)≤1/110的限值要求。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的剪力墻、連梁、框架柱、框架梁和樓板性能評(píng)價(jià)及能量分析，表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的受力性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)一系列振型分解反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析、動(dòng)力彈塑性分析，本文對(duì)一個(gè)細(xì)腰結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

（1）細(xì)腰部位樓板厚度200mm，通過(guò)分析（0°，90°）及（45°，135°）樓板應(yīng)力，小震下細(xì)腰部位絕大部分樓板內(nèi)主拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可以保證在小震作用下能夠保持彈性。中震作用下，樓板配筋φ16@150雙層雙向，可滿足中震不屈服的要求。

（2）針對(duì)細(xì)腰類(lèi)結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充細(xì)腰處失效情況下，證明兩側(cè)單體可以獨(dú)立成立。

（3）立面收進(jìn)位置控制處上下層的抗剪承載力之比不小于0.8，對(duì)收進(jìn)部位進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，加厚樓板，加大配筋率，控制中震下大部分樓板不開(kāi)裂，應(yīng)力較大的樓板雖開(kāi)裂但鋼筋不屈服；把收進(jìn)位置的豎向構(gòu)件定義為關(guān)鍵構(gòu)件，提高構(gòu)造措施。

（4）通過(guò)罕遇地震彈塑性分析，說(shuō)明針對(duì)不規(guī)則內(nèi)容采取的措施是有效的，在罕遇地震作用下單體能達(dá)到預(yù)定的性能設(shè)計(jì)要求。