某醫(yī)院綜合樓項(xiàng)目抗震性能化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析

李 響

(華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002)

1 概述

地震地面運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)水準(zhǔn)，即多遇地震(小震)、設(shè)防烈度地震(中震)以及預(yù)估的罕遇地震(大震)。其中，一般將底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件定義為關(guān)鍵構(gòu)件；在地震來臨之際消耗能量的構(gòu)件歸于耗能構(gòu)件(框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐)，除此之外的豎向構(gòu)件為普通構(gòu)件。JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)3.14.1中根據(jù)宏觀判斷損壞程度、構(gòu)件分類和是否有繼續(xù)使用的可能等三方面，提出了地震作用下構(gòu)件彈性、不屈服和滿足斜截面抗剪承載力三檔計(jì)算假定，四級(jí)結(jié)構(gòu)抗震化性能目標(biāo)(A，B，C，D)和五個(gè)抗震性能水準(zhǔn)，來適應(yīng)結(jié)構(gòu)方案的特殊性。GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)附錄M也對(duì)實(shí)現(xiàn)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)提供了參考方法，但計(jì)算假定和性能目標(biāo)略有區(qū)別。

2 規(guī)范對(duì)性能目標(biāo)的具體規(guī)定

規(guī)范中對(duì)地震作用參數(shù)選取和其他章節(jié)的小震相比較，總體來說，剪重比、薄弱層軟弱層、0.2V0調(diào)整系數(shù)均不參與計(jì)算，周期折減系數(shù)為1.0，中梁剛度放大系數(shù)取1.0，風(fēng)荷載無需參與組合，阻尼比增大幅度不超過0.2，連梁剛度折減系數(shù)不低于0.3?！陡咭?guī)》第3.11.3條給出每個(gè)性能目標(biāo)的具體設(shè)計(jì)要求，一般而言，允許耗能構(gòu)件先于關(guān)鍵構(gòu)件和普通構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，而且對(duì)于各個(gè)豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)，在分別考慮受剪承載力和正截面(抗彎)承載力設(shè)計(jì)要求(構(gòu)件符合強(qiáng)剪弱彎的設(shè)計(jì)要求)的前提下，規(guī)定三檔設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1)在設(shè)防烈度(中震)地震作用下，滿足彈性設(shè)計(jì)要求：外力分項(xiàng)系數(shù)保留，但不考慮與抗震等級(jí)調(diào)整系數(shù)；內(nèi)力調(diào)整考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)γRE的影響。

2)在設(shè)防烈度(中震)地震作用下，滿足不屈服設(shè)計(jì)要求，即不考慮γRE的影響，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)等；同時(shí)計(jì)算內(nèi)力按照Rk，即材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，提高了承載力設(shè)計(jì)值。

3)在允許部分豎向構(gòu)件及大部分耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段的同時(shí)，應(yīng)控制構(gòu)件的抗剪截面滿足要求，以避免發(fā)生脆性受剪破壞：

《抗規(guī)》中附錄M有四檔設(shè)計(jì)目標(biāo)，與《高規(guī)》的區(qū)別點(diǎn)在于：a.將地震作用下，彈性分析時(shí)分為考慮抗震等級(jí)相關(guān)的地震調(diào)整系數(shù)與不考慮兩種情況，計(jì)入和不計(jì)入不同抗震等級(jí)的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，其安全性的高低略有區(qū)別；b.地震作用不屈服情況下，抗力按照材料極限強(qiáng)度的最小設(shè)計(jì)值考慮。

一般而言，中震彈性分析下的計(jì)算設(shè)計(jì)值會(huì)比小震大，但中震不屈服目標(biāo)下的計(jì)算值和小震彈性設(shè)計(jì)相比較，有增大也有減小的因素。一般對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言，構(gòu)件在三、四級(jí)抗震等級(jí)下，中震作用內(nèi)力放大約為：抗剪不屈服約為小震1.25倍～2.5倍，抗彎不屈服約為1.25倍～2倍，只有在一級(jí)框支柱及二級(jí)框架柱構(gòu)件設(shè)計(jì)中，考慮風(fēng)荷載組合的小震計(jì)算值與中震不屈服目標(biāo)下的計(jì)算值相當(dāng)。特殊的，對(duì)于特一級(jí)框架柱、框支柱以及一級(jí)框架柱，中震內(nèi)力恒小于小震彈性內(nèi)力。對(duì)于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻而言，中震不屈服下的計(jì)算值會(huì)比小震彈性設(shè)計(jì)值大幅增加，而在底部加強(qiáng)區(qū)以上部位，小震、中震對(duì)剪力墻的作用基本相當(dāng)。

除此之外，《抗規(guī)》量化明確了在不同性能目標(biāo)下，震后變形(彈性、塑性位移)的要求，此不贅述。本文著重論述在中震不屈服及大震性能化設(shè)計(jì)過程中的操作。

3 工程實(shí)例

1)本工程為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，位于上海市楊浦區(qū)，綜合樓主樓地上16層(不含設(shè)備層)，大屋面結(jié)構(gòu)高度72.400 m，與主樓連為整體的裙房部分地上7層(不含夾層)，屋面結(jié)構(gòu)高度35.500。本工程基本抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ⅳ類場(chǎng)地，特征周期0.9 s，阻尼比0.05。罕遇地震時(shí)，水平地震影響系數(shù)最大值0.45(見圖1，圖2)。

本工程有塔樓偏置、樓板大開洞、位移比超過1.2等超限項(xiàng)，根據(jù)《高規(guī)》的要求，應(yīng)做性能化設(shè)計(jì)。初步確定本工程的抗震性能目標(biāo)為D級(jí)，小震、中震、大震作用下對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)分別為“1級(jí)，4級(jí)，5級(jí)”，如表1所示。

即關(guān)鍵構(gòu)件(底部加強(qiáng)區(qū))抗彎抗剪中震不屈服，普通豎向構(gòu)件抗剪截面滿足不屈服，除此之外，允許進(jìn)入屈服階段。以首層(塔樓部分)平面布置為例，由于剪力墻及框架柱抗震等級(jí)為一級(jí)，小震與中震作用下的計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

表1 抗震性能設(shè)防目標(biāo)

由此可見，對(duì)于框架柱而言，由于小震作用下內(nèi)力調(diào)整放大效果顯著，且相對(duì)于剪力墻而言剛度偏弱，框架設(shè)計(jì)結(jié)果要比中震不屈服性能目標(biāo)下的計(jì)算值大(角柱尤其明顯)。對(duì)于剪力墻而言，由于剛度大，地震作用大幅增加，中震作用效力需通過增設(shè)型鋼(抗)或布置阻尼器或隔震支座(放)來設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)平面布置、建筑功能限制等原因，能夠設(shè)置位移型阻尼器的位置很少，故采用加設(shè)型鋼抵抗地震力作用。此外，通過設(shè)置型鋼與不設(shè)置型鋼的兩個(gè)計(jì)算模型相比較可知，采用鋼筋與型鋼等強(qiáng)度換算的方式設(shè)計(jì)剪力墻端(暗)柱，結(jié)果基本吻合。最終底部加強(qiáng)區(qū)按照三個(gè)模型取包絡(luò)設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于模型中鋼骨的建入，結(jié)構(gòu)整體剛度有小幅度提高(于位移角計(jì)算值中體現(xiàn))。

2)樓、屋面是傳遞豎向荷載和水平荷載、聯(lián)系剪力墻和框架柱的重要構(gòu)件，是水平力作用下協(xié)調(diào)整體變形和發(fā)揮結(jié)構(gòu)空間整體性能的重要組成部分。

本工程裙房部分中庭樓板大開洞，X向有效樓板寬度/相應(yīng)樓板總寬度=55.1%>50%；Y向有效樓板寬度/相應(yīng)樓板總寬度=61.9%>50%；開洞面積/本層面積=458.9/3 647=12.6%<30%，所以綜合樓樓板連續(xù)性滿足規(guī)范要求。樓板應(yīng)力分析主要針對(duì)連接薄弱和樓板開大洞的區(qū)域，通過應(yīng)力分布圖得出樓板受力集中與相對(duì)薄弱的部位，為樓板的構(gòu)造加強(qiáng)提供依據(jù)。采用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維計(jì)算分析，采用彈性板單元模擬樓板，針對(duì)L3層和L5層樓板在小震及中震作用進(jìn)行了研究。在驗(yàn)算樓板的應(yīng)力時(shí)需要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)工況采取相應(yīng)的不同的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)性能目標(biāo)如表2所示。

表2 樓板設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

其中中震不屈服設(shè)計(jì)目標(biāo)為考慮樓板開裂，最大主拉應(yīng)力由板內(nèi)受力鋼筋來承擔(dān)，且受力鋼筋應(yīng)力不超過屈服強(qiáng)度。樓板應(yīng)力分析根據(jù)地震反應(yīng)譜法(CQC)的計(jì)算結(jié)果，采用地震作用下最不利情況作為樓板應(yīng)力分析的設(shè)計(jì)值。樓板在小震及中震工況下的應(yīng)力分析如圖6所示，經(jīng)分析，除局部角點(diǎn)處的應(yīng)力集中外，通過增加板厚、雙層雙向配筋等形式滿足地震力的中震設(shè)計(jì)要求。

3)在大震作用下，《高規(guī)》中規(guī)定，靜力彈塑性分析適用于高度不大于150 m的建筑，本工程大震下的靜力推覆分析采用PKPM/EPDA&PUSH作為求解器，進(jìn)行彈塑性計(jì)算。由于本工程立面南側(cè)單側(cè)收進(jìn)，補(bǔ)充了以南北方向做正、反向的推覆分析。與小震下的基底剪力比較值見表3。

表3 各方向大震基底剪力

經(jīng)分析，大震下的基底剪力與相應(yīng)小震作用放大約為3.6倍，最大層間位移角小于1/100，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)無明顯薄弱層(見圖7)。同時(shí)，在靜力推覆作用下，塑性鉸首先出現(xiàn)在連梁，形成較好的耗能機(jī)制，有效保護(hù)了主體墻肢(見圖8)。后續(xù)繼而框架梁剛度退化，內(nèi)力重分布，然后剪力墻墻肢出現(xiàn)損傷，框架柱端出現(xiàn)塑性鉸，有效的體現(xiàn)了二道防線和延性要求，耗能機(jī)制也體現(xiàn)于此。

4 結(jié)語

本文對(duì)比分析了《高規(guī)》與《抗規(guī)》對(duì)于抗震性能化設(shè)計(jì)的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)，以及針對(duì)實(shí)際案例通過采用《高規(guī)》進(jìn)行中震不屈服和大震不屈服的性能化分析，結(jié)果驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)體系的合理性，主要構(gòu)件能達(dá)到既定的性能目標(biāo)，最終與小震彈性結(jié)果取包絡(luò)，對(duì)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。