新型高強混凝土組合柱抗震性能設(shè)計分析

鄒德宏

（浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司，浙江寧波315000）

1 引言

寧波市第一醫(yī)院原地擴建暨國際醫(yī)療保健中心，地上23 層，建筑面積為43 350m2，地下3 層，建筑面積為11 916m2，建筑總高度為84m。本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，建筑場地為4 類。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能水平和目標(biāo)

2.1 地震設(shè)防水準(zhǔn)

地震設(shè)防水準(zhǔn)決定了結(jié)構(gòu)的抗震能力。所以在進行地震設(shè)防水準(zhǔn)設(shè)置時，需要考慮預(yù)期內(nèi)的設(shè)防目標(biāo)。受多種因素影響，目前國內(nèi)外的地震設(shè)防水準(zhǔn)差異性較大。我國頒布的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》以50 年為基準(zhǔn)期，將基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率63%的地震稱為小震，重復(fù)期為50 年；超越概率10%的地震稱為中震，重復(fù)期為475 年；超越概率2.5%的地震稱為大震，重復(fù)期為2 000 年。重復(fù)期RP 的計算公式如下：

式中，RP 為重復(fù)期限；P為T年內(nèi)烈度超過給定烈度的超越概率；T為設(shè)計基準(zhǔn)期。

2.2 性能水平

建筑工程的抗震能力與結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量有關(guān)，建筑工程內(nèi)部設(shè)計時需要考慮的某一地震作用水準(zhǔn)下預(yù)期達(dá)到的破壞程度。我國建筑結(jié)構(gòu)性能分為正常使用、暫停使用、修復(fù)后使用、生命安全、防止倒塌5 個等級，所對應(yīng)的破壞程度分別為完好、輕微破壞、中度破壞、不嚴(yán)重破壞、嚴(yán)重破壞。

2.3 性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)性能研究的是不同地震水準(zhǔn)預(yù)期損壞狀況或使用功能。我國現(xiàn)行抗震規(guī)范要求建筑物主體結(jié)構(gòu)性能的基本設(shè)防目標(biāo)為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。不同類別建筑物其對應(yīng)的性能目標(biāo)不同。比甲類建筑更重要的建筑采用的是最高性能目標(biāo)，即要求建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件即使在預(yù)期罕見地震下也可以基本保持彈性狀態(tài)；甲類建筑物采用的是較高目標(biāo)，即要求建筑構(gòu)件在設(shè)防地震下可以保持完好；乙類建筑物為中等性能目標(biāo)，要求建筑物在設(shè)防地震下有輕微的塑性變形；對于丙類建筑物其性能目標(biāo)為基本目標(biāo)，要求在設(shè)防地震下?lián)p壞大于性能，遇到罕見地震處于倒塌邊緣。

3 工程項目抗震性能設(shè)計

該項目為新建手術(shù)及病房中心，在抗震救災(zāi)中具有保障生命線的重要作用。為了確保在震災(zāi)中能承擔(dān)起救災(zāi)醫(yī)療任務(wù)的使命，要求該建筑當(dāng)遭受低于抗震設(shè)防烈度6 度影響時，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需要修復(fù)可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于6 度設(shè)防烈度地震影響時，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于6 度設(shè)防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。也即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計目標(biāo)。

4 工程項目抗震性能設(shè)計

工程項目抗震性能設(shè)計包括：

1）中央核心筒在各方向上具有較大的抗側(cè)剛度，是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)整體處于彈性狀態(tài)，核心筒承受大部分地震剪力，達(dá)到總剪力的X向77.6%，Y向78.6%。經(jīng)彈塑性靜力分析，在罕遇地震作用下，筒體開裂，并先于框架屈服，其抗側(cè)剛度降低，所承擔(dān)的剪力比例有所減小。因此在設(shè)計中，采取適當(dāng)加大外框架柱的配筋，以充分發(fā)揮框架-核心筒的多道抗震防線。

2）在罕遇地震作用下核心筒屈服程度過大，對結(jié)構(gòu)整體變形和抗震極為不利，應(yīng)盡量避免核心筒過早屈服。因此，在設(shè)計中將各子筒間的連梁作為次要構(gòu)件，截面高度盡量控制在350～600mm。通過強墻弱梁、強剪弱彎等措施使連梁剛度及受彎承載力都遠(yuǎn)小于墻肢或子筒，具有足夠的延性。

3）根據(jù)有關(guān)實驗研究和地震災(zāi)害分析，在地震作用下，豎向內(nèi)收的建筑容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，引起豎向構(gòu)件的彎矩和剪力產(chǎn)生較大的突變[1]。同時，裙房頂板與塔樓連接處樓板出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，地震時也容易產(chǎn)生破壞，為此在設(shè)計中，對于水平構(gòu)件，加厚此處樓板的板厚至120～150mm，并配置上下雙向通長鋼筋，加大板配筋率至0.7%～0.8%。對于豎向構(gòu)件，確保框架柱有足夠的截面尺寸，軸壓比控制在0.6～0.7，甚至更小。

4）使用新型高強混凝土組合柱。本項目中所使用的新型高強混凝土組合柱采用的是混凝土截面中配置鋼管的增強措施，以此來優(yōu)化高強混凝土的塑性變形能力。內(nèi)配鋼管高強混凝土組合柱的設(shè)計如下：（1）設(shè)計縱筋和箍筋作為外層保護層，提升混凝土間的融合度，將管材與外界隔離，提高高強混凝土組合柱的耐久性；（2）在高強混凝土截面內(nèi)置管材時，融合外箍筋構(gòu)成雙重約束，這樣箍筋密度變寬，構(gòu)件延展性增強，結(jié)構(gòu)柱因混凝土縱筋屈曲性結(jié)構(gòu)規(guī)避其倒塌的可能。

5 混凝土結(jié)構(gòu)性能水平判別

5.1 框架柱性能水平分析

控制結(jié)構(gòu)受地震破壞程度，結(jié)構(gòu)受地震設(shè)防水準(zhǔn)性能水平的影響，通過結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)參數(shù)來表達(dá)：力、變形和曲率等。試驗結(jié)果顯示，新建手術(shù)房及病房中心混凝土結(jié)構(gòu)層間構(gòu)建的變形情況與層高的影響可以通過層間位移角來體現(xiàn)，與結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)之間有很強的顯著相關(guān)性。我國現(xiàn)行抗震規(guī)范對混凝土框架結(jié)構(gòu)不同破壞程度下的層間位移角控制參考目標(biāo)值進行了確定，如抗震設(shè)防烈度為8 度時混凝土強度等級不應(yīng)高于C70。但在實際工程中，混凝土的強度等級經(jīng)常會超出參考值。

載荷試驗發(fā)現(xiàn)，在剪跨度比不斷增大時，新建手術(shù)房及病房中心混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)配鋼管約束高強混凝土柱出現(xiàn)剪切斜壓破壞、剪切黏結(jié)破壞、彎曲破壞3 種破壞形態(tài)。其中，剪切黏結(jié)破壞為脆性破壞，對混凝土柱抗震性能影響較大，因此，可通過設(shè)置抗剪件等方式來解決上述問題。本文僅考慮剪切斜壓破壞與彎曲破壞。當(dāng)構(gòu)件發(fā)生上述2 種破壞時，混凝土被壓碎脫落，停止工作，截面內(nèi)力轉(zhuǎn)由鋼骨承擔(dān)。因鋼材是具有塑性延展性的材料，鋼骨高強混凝土柱承載力發(fā)生適應(yīng)性變化，使得延展性增強，此時，失效判別標(biāo)準(zhǔn)研究必須考慮上述因素。

5.2 框架結(jié)構(gòu)性能水平分析

在新建手術(shù)房及病房中心的混凝土框架結(jié)構(gòu)中，豎向構(gòu)件需要考慮彈性及彈塑性變形限值的取值問題；構(gòu)件達(dá)到承載力頂端時，發(fā)生的變形小于中等破壞；輕微損壞變形限值只及中等破壞時變形限值的一半；輕微破壞變形限值，會影響彈塑性變形限值。因此，要想提高混凝土強度等級，可采用截面配置塑性優(yōu)良的鋼骨，而抗震規(guī)范對變形限值的規(guī)定與高強混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)度不高，因此，根據(jù)試驗結(jié)果，考慮是否對框架結(jié)構(gòu)的鋼骨塑性進行調(diào)整。根據(jù)柱層間位移角容許限值來確定框架結(jié)構(gòu)層級的層間位移角限值，還應(yīng)融入框架變形、非結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的功能安全及舒適度等方面的影響，全面考慮取值問題。

6 結(jié)語

本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計除滿足相關(guān)規(guī)范的要求外，更加重視結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計，通過彈塑性靜力分析，有目的地引導(dǎo)作為主要抗側(cè)力體系的核心筒的屈服機制和破壞模式，對外框架進行合理的設(shè)計，使其具有足夠的承載力和延性，從而形成多道有效的抗震防線，合理的破壞模式，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保該建筑在震災(zāi)中能承擔(dān)起救災(zāi)醫(yī)療任務(wù)的使命，對類似的防災(zāi)救災(zāi)建筑的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有借鑒意義。