錫沂高新區(qū)醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)園1#樓結(jié)構(gòu)設計

（上海結(jié)宇建筑設計有限公司，上海 200335）

1 工程概況

錫沂高新區(qū)醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)園項目位于新沂市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)板塊，西臨長江路，南側(cè)是太行山路，北側(cè)為北京東路。地塊整體功能是高端醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)園，1#樓為地下1層，地上12層的高層廠房（結(jié)構(gòu)大屋面高度為54m）， 帶3層裙房， 總建筑面積27429.09m2。建筑效果圖如圖1所示。考慮到建筑使用要求以及結(jié)構(gòu)設計的合理性，在1#樓中部設置抗震縫（圖2），把整體結(jié)構(gòu)分成左右兩個各帶3層裙房的單體。本文主要介紹1#樓左邊單體，主要設計軟件為YJK，輔助分析軟件為PMSAP。

圖1 建筑效果圖

圖2 三層結(jié)構(gòu)平面圖（虛線范圍內(nèi)為上部標準層范圍）

該工程設計基準周期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級?；撅L壓取50年一遇為0.35kN/m2，地面粗糙度為B類，建筑體形系數(shù)取1.4。建筑抗震設防類別為丙類。地震抗震設防烈度為8度（0.2g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40s，阻尼比為0.05[1]。醫(yī)療類廠房，重力荷載代表值中活荷載組合值系數(shù)取0.7。

2 結(jié)構(gòu)布置及超限情況

2.1 結(jié)構(gòu)布置

1#樓為高層廠房，帶地上3層裙房（層高分別為6m、4.8m、4.2m），4~12層，層高4.2m。采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，首層樓板厚度為180mm，框架柱和核心筒墻混凝土強度等級從C45逐步變?yōu)镃30，框架柱截面從下到上為900×900、800×800，核心筒墻厚自下而上為600～400mm。圖2為三層結(jié)構(gòu)平面圖。

1#樓因建筑功能要求，室內(nèi)地面抬高至0.55m，室外大地庫頂板標高為-1.3m，兩者高差達1.85m，采用YJK分別按地下室頂板嵌固與基礎嵌固的模型進行包絡設計。并在室外內(nèi)高差處采用加腋的方式傳遞地震剪力。對室內(nèi)外高差處框架柱進行中震不屈服驗算。

2.2 塔樓結(jié)構(gòu)超限

工程主要超限情況[2]：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，Y向考慮偶然偏心最大扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；（2）底部3層與上部樓層相比偏心率大于0.15；3）上部樓層收進后的水平尺寸B1與下部樓層B的比值為0.7，小于0.75，收進高度比H1/H=0.30＞0.2；屬豎向尺寸突變。另外中部小筒體周邊電梯、樓梯、開洞較多，裙房層中部有較大開洞，個別樓層有局部錯層。

2.3 抗震加強措施

2.3.1 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的控制和加強措施

為了控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比，采用塔樓下部4層把周邊柱由800×800改為900×900，周邊梁由400×700改為500×800，經(jīng)過調(diào)整結(jié)構(gòu)大部分樓層扭轉(zhuǎn)位移比由1.26減小到1.2以下；裙房角柱由600×600改為700×700，經(jīng)過調(diào)整結(jié)構(gòu)3層位移比由1.41降低到1.38。同時加強底部加強層角柱的配筋，按中震不屈服控制。

2.3.2 豎向收進的加強措施

控制上部收進樓層底部層間位移角不大于下部樓層位移角的1.15倍[1]；底部加強部位的高度取到裙房頂，約束邊緣構(gòu)件往上伸一層；裙房頂部的樓板厚度取為140mm，采用雙層雙向配筋，每層單向配筋率不小于0.25%；裙房頂?shù)纳弦粚雍拖乱粚訕前逡策m當加厚，控制配筋率不小于0.25%；柱箍筋在裙房屋面上下層范圍內(nèi)全高加密。

2.3.3 樓板開洞的加強措施

中部小筒體周邊電梯、樓梯開洞較多。雙筒間樓板按彈性板進行應力分析，中震工況下電梯周邊開洞位置處樓板應力較大，局部超過混凝土的抗拉強度。將兩筒之間樓板板厚加厚到140mm，樓板應力減小，滿足中震彈性的要求。對此板采用雙層雙向配筋，每層單向配筋率不小于0.25%，對開大洞附近樓板，附加設置加強鋼筋，陽角設置放射筋。

3 結(jié)構(gòu)計算與分析

3.1 彈性分析

多遇地震下的結(jié)構(gòu)整體分析采用YJK進行計算，并采用PMSAP軟件進行對比分析[1]，計算時考慮了偶然偏心和雙向地震作用，并對計算結(jié)果進行了比較。計算分析結(jié)果見表1。對比發(fā)現(xiàn)，兩種程序計算得到的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、周期、層間位移角、樓層剪力等結(jié)果，在數(shù)值上均較接近，誤差較小，沿樓層的變化規(guī)律一致?？梢哉J為由程序計算得到的分析結(jié)果是合理、準確的；計算結(jié)果用于結(jié)構(gòu)設計是安全可靠的。

表1 結(jié)構(gòu)彈性分析主要結(jié)果

3.2 彈性時程分析

本工程不規(guī)則類型較多，采用了多遇地震下的彈性時程分析進行補充驗算。按抗規(guī)要求進行地震波選取，控制地震三要素（頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時間）滿足規(guī)范[3]要求。計算選擇兩條人工波 （ArtWave-RH4TG040、ArtWave-RH2TG040）和五 條 天 然 波 （Taiwan-05_NO_2951、Gilroy_NO_2039、Northridge -04_NO_1679、Taiwan -02_NO_2183、Taiwan -05_NO_2948），時程分析時主方向地震峰值加速度70cm/s2，每條波均按主方向、次方向雙向輸入（峰值加速度比值1∶0.85）。圖3為規(guī)范譜與反應譜對比圖。地震波持續(xù)時間滿足結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍，主要周期（前3）與反應譜法周期差值＜20%，滿足規(guī)范要求。

圖3 規(guī)范譜與反應譜對比圖

圖4 樓層剪力分布曲線

圖5 樓層位移分布曲線

圖4 為樓層剪力分布曲線，圖5為樓層位移分布曲線。時程分析結(jié)果顯示，基底剪力平均值等于振型分解反應譜法基底剪力的81%；且每條地震波計算的基底剪力不小于振型分解反應譜法基底剪力的65%，不大于振型分解反應譜法基底剪力的130%。滿足規(guī)范要求。時程曲線計算出來的結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/800，滿足規(guī)范要求。1層層高較高（6m），裙房到3層頂，此兩處均存在剛度突變，樓層最大位移角曲線的突變印證了剛度的突變。時程分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)剛度合適，且與反應譜結(jié)果相符。頂部三層樓層剪力大于振型分解反應譜法基底剪力（系數(shù)分別為1.184、1.062、1.047），其余樓層剪力小于振型分解反應譜法基底剪力。在結(jié)構(gòu)設計時，各層分別按照各層時程分析放大系數(shù) （下部為1，頂部三層分別為1.184、1.062、1.047）進行放大；對結(jié)構(gòu)不同樓層分別指定放大系數(shù)，既保證結(jié)構(gòu)的安全性，又兼顧結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。

3.3 靜力彈塑性分析

A樓裙房偏置較多，抗震存在一定的不規(guī)則，為了驗證結(jié)構(gòu)設計是否滿足規(guī)范“大震不倒”和預期的“中震可修”的性能化要求，采用 YJK軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析（Pushover）。采用能力譜方法進行結(jié)構(gòu)延性分析，按以下步驟[4]進行：①施加豎向荷載；②對結(jié)構(gòu)側(cè)向推覆加載，獲得結(jié)構(gòu)的PUSH-OVER曲線；③將PUSH-OVER曲線轉(zhuǎn)化成能力譜曲線；④由抗規(guī)[2]地震影響系數(shù)曲線導出需求譜曲線；⑤計算能力譜曲線上各點的結(jié)構(gòu)阻尼比；⑥由大震下的需求譜和結(jié)構(gòu)能力譜，計算結(jié)構(gòu)的性能點；⑦根據(jù)性能點處大震下的結(jié)構(gòu)位移角，判斷位移是否滿足要求。

3.3.1 結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析的參數(shù)

結(jié)構(gòu)分析模型的有關(guān)假定作如下說明：結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量及分布同彈性模型，即采用重力荷載代表值對應的荷載水平和質(zhì)量分布，重力荷載代表值按 “1.0×恒載 +0.7×活載”取值。地震力推覆計算過程在豎向荷載效應的基礎上進行。結(jié)構(gòu)阻尼比按5%取值。大震需求譜按照高規(guī)[1]第4.3.7條設定。αmax=0.90，Tg=0.45s。 根據(jù)高規(guī)[1]第3.11.4條條文說明中提到：靜力彈塑性計算分析中采用的側(cè)向作用力分布形式宜適當考慮高階振型的影響，可采用第3.4.5條提出的“規(guī)定水平地震力”分布形式。推覆荷載采用規(guī)定水平力形式，分別進行了X+推覆、X-推覆、Y+推覆、Y-推覆分析。

3.3.2 靜力彈塑性分析的總體結(jié)果簡述

兩向正反方向的Pushover分析的性能點顯示，基底剪力最小值46530.76kN；由圖6可知彈塑性位移角滿足規(guī)范1/100的限值要求，且有很大的余量。由圖7中可以看出性能點處僅局部主梁損傷較大，框架柱和剪力墻大震損傷較輕，裙房頂位置處的損傷程度略大于低區(qū)和中高區(qū)。隨著加載步的進行，連梁首先出現(xiàn)塑性鉸，接著框架梁進入塑性，底部剪力墻出現(xiàn)塑性鉸，角柱出現(xiàn)塑性鉸。對分析出現(xiàn)的薄弱部位進行加強，加強底部加強部位剪力墻和底部角柱的配筋，控制小震工況底部加強部位剪力墻的軸壓比小于0.3，控制小震工況底部角柱的軸壓比小于0.7，約束邊緣構(gòu)件延伸至裙房層以上一層。經(jīng)過調(diào)整后再次進行分析，結(jié)構(gòu)表明底部剪力墻和角柱等關(guān)鍵構(gòu)件損傷減小，獲得較好的抗震性能。

圖6 彈塑性最大位移角

圖7 性能點處損傷圖（第22步）

4 結(jié)論

（1）針對本工程的超限情況，采用合理的加強措施，改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能。采用了YJK和 PMSAP兩種軟件對多遇地震下的結(jié)構(gòu)進行了整體分析，同時補充了彈性時程分析，并對結(jié)構(gòu)進行包絡設計，保證了結(jié)構(gòu)的安全和抗震能力。

（2）對結(jié)構(gòu)進行了罕遇地震下的結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)彈塑性位移角滿足規(guī)范要求，重要部位損傷較小。并找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，對出現(xiàn)塑性鉸的部位采取了相應加強措施，改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能。同時也滿足了規(guī)范規(guī)定的“大震不倒”的設防目標。采用結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析可彌補彈性設計的不足，為類似不規(guī)則的結(jié)構(gòu)設計提供參考。

參考文獻：

［1］JGJ 3-2010高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點 [EB/OL].[2015-05-21].http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201505/t20150528_220992.html．

［3］GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［4］薛彥濤，徐培福，肖從真，等.靜力彈塑性分析(PUSHOVER)方法及其工程應用[J].建筑科學，2005，21（6）：1-6.