豎向收進的超限高層結(jié)構(gòu)分析與研究

袁 升，段 貝，程俊婷

（1.浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310006；2.中機工程有限公司，浙江 杭州 310016）

0 引言

隨著國內(nèi)建筑的外型及使用功能需求的日益提高，體型不規(guī)則的建筑也增多，相應的超限高層結(jié)構(gòu)也成為結(jié)構(gòu)設計的重難點之一。論文以某塔樓偏置的醫(yī)院建筑為例，進行結(jié)構(gòu)分析，并將不同的結(jié)構(gòu)設計方案進行對比。

1 工程概況

浙江省中醫(yī)院中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新基地項目位于杭州經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū) 9 號大街 9 號，浙江省中醫(yī)院下沙院區(qū)院內(nèi)，是集醫(yī)療、教學、科研為一體的三級甲等綜合醫(yī)院建筑。設計方案為一棟帶裙樓的高層塔樓，總建筑面積約 5.47 萬 m2。地上裙房 5 層，總高度 23.1 m，塔樓 19 層，總高度 77.8 m，地上的主要功能為門急診、醫(yī)技、病房、科研教學等用房，首層層高為 5.4 m，裙房層高均為 4.5 m，塔樓標準層的層高 3.9 m。地下室 2 層，主要功能為停車庫和設備用房。建筑效果圖如圖 1 所示。

圖1 建筑效果圖

2 設計參數(shù)

本項目主體結(jié)構(gòu)的設計基準期和使用年限均為 50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 1.1［1］?？拐鹪O防烈度為 7 度（0.10g），設計地震分組為第一組，場地類別為 Ⅲ 類，建筑抗震設防類別為重點設防類（乙類）。

2.1 風荷載

采用 GB 50009－2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［2］中風荷載進行結(jié)構(gòu)設計。塔樓位移驗算時，基本風壓w0按 50 年一遇標準取 0.45 kN/m2。塔樓從首層到主屋面高度為 77.8 m，至女兒墻高度為 82.1 m；故構(gòu)件強度設計時，按照 JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［3］（以下簡稱《高規(guī)》）第 4.2.2 條，對基本風壓放大 1.1 倍，因而實際基本風壓取為 0.495 kN/m2。風壓高度變化系數(shù)根據(jù) B 類地面粗糙度采用，風荷載體型系數(shù)取為 1.4。

2.2 地震作用

GB 50011－2010《建筑抗震設計規(guī)范》［4］（以下簡稱《抗規(guī)》）提供的多遇地震規(guī)范反應譜，其中最大水平地震影響系數(shù)為 0.08。本項目小震按振型分解反應譜法及3條選波的彈性時程分析進行比較，各層地震作用按時程分析結(jié)果的最大值進行放大調(diào)整。結(jié)合《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》［5］的相關(guān)要求，中震和大震則采用規(guī)范反應譜進行分析。小震計算時考慮周期折減系數(shù) 0.8，中震和大震時周期不折減；小震和中震時阻尼比取 0.05，大震時取 0.07。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 結(jié)構(gòu)體系

本項目中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新樓采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，具體布置如圖 2 所示。剪力墻作為主要的抗側(cè)力體系，能夠比較有效地進行抗震、抗風?？蚣懿粌H提供抗側(cè)力作用，同時也能配合建筑立面的要求。

圖2 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

3.2 性能化設計目標

因存在豎向收進，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及局部存在穿層柱、梁抬柱等，本結(jié)構(gòu)為超限高層結(jié)構(gòu)。按超限抗震設防專項審查［5］的要求進行性能化設計。抗震性能目標定為 C。根據(jù)高規(guī)第 3.11 節(jié)確定塔樓各構(gòu)件的性能要求，并對其中特別關(guān)鍵構(gòu)件的設計性能要求進行提高。按《抗規(guī)》表 M1.1.1-2 中性能要求 3 確定各地震水準下塔樓的層間位移變形要求。結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的具體性能目標如表 1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標

3.3 結(jié)構(gòu)主要抗震加強措施

1）提高重點部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級。根據(jù)高規(guī)，框架抗震等級為一級，剪力墻抗震等級為一級。體型收進部位上下各兩層主樓周邊柱的抗震等級由一級提高為特一級；裙房局部轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁抗震等級由一級提高至特一級。

2）主樓與裙房相連的外圍框架柱，從固定端至裙房屋面上一層，提高柱縱向鋼筋的配筋率，柱箍筋在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密。裙房轉(zhuǎn)換柱箍筋全高加密，嚴格控制其軸壓比＜0.6［6］，并適當提高柱配筋率（≥1.2 %）、配箍率（≥1.5 %）。

3）為確保上部結(jié)構(gòu)的地震作用可靠地傳遞到下部結(jié)構(gòu)，體型突變部位（裙房屋面）的樓板采用現(xiàn)澆樓板，樓板厚度≥ 150 mm，雙層雙向配筋，配筋率≥0.3 %，裙房屋面上、下層樓板配筋率加大。

4）主樓與裙房相連的外圍相關(guān)范圍框架梁，提高其配筋率且梁面鋼筋采取拉通配置；裙房遠離主樓一側(cè)兩跨范圍抗側(cè)力構(gòu)件抗震措施提高一級［7］。

5）由于裙房存在樓板大開洞的情況，需按彈性板驗算所在樓層的樓板應力，加大相鄰樓板的板厚和配筋。

4 整體指標的控制

4.1 結(jié)構(gòu)彈性分析

多遇地震下的整體彈性分析采用 YJK 和 PMSAP兩種軟件進行比較計算。由表 2 可見，兩種力學模型計算下的彈性分析結(jié)果如結(jié)構(gòu)總重量、底部總剪力、前三階周期等基本一致，周期比、位移比、位移角、剛重比、剪重比等均滿足規(guī)范要求。

表2 多遇地震作用下彈性分析主要指標比較

根據(jù)《高規(guī)》第 10.6.5 條，地震作用下上部收進結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角為X向、Y向，相鄰下部區(qū)段最大層間位移角為X向、Y向，兩者之比均＜1.15，滿足規(guī)范要求，收進部位的樓層剛度相對變化均勻，說明結(jié)構(gòu)布置較為合理。

4.2 彈性時程分析

為校核振型分解反應譜法的計算結(jié)果，采用 YJK 對其進行多遇地震作用下的彈性時程分析補充驗算。選用 2 條天然地震波（Northridge-01_NO_944、Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2983）和 1 條人工波（ArtWave-RH4TG045），3 組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范反應譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在對應于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差≤20 %，滿足規(guī)范要求。

時程分析所得的基底剪力和規(guī)范反應譜（即振型分解法 CQC）所得的基底剪力對比如表 3 所示。

表3 基底剪力

可見，時程分析所得的基底剪力均大于規(guī)范反應譜所得的基底剪力的 65 %，時程分析所得的平均基底剪力大于規(guī)范反應譜所得的基底剪力的 80 %，滿足高規(guī)第 5.1.2 條的要求。

將時程分析所得各樓層剪力的包絡值與反應譜結(jié)果比較，對反應譜的各樓層采取放大處理，放大系數(shù)取兩者相應樓層剪力之比。

4.3 設防地震作用下結(jié)構(gòu)分析

基于性能的設計要求，豎向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)正截面承載力需要滿足中震不屈服設計要求，斜截面承載力需要滿足中震彈性設計要求。在進行中震驗算時，地震作用不考慮與抗震等級有關(guān)的增大系數(shù)，周期折減系數(shù)取為 1.0，考慮 7 度中震作用下結(jié)構(gòu)已開裂，進入彈塑性階段，阻尼比取 0.07。經(jīng)計算，一層框架柱的最大軸壓比為 0.47，最大剪壓比為 0.04，一層剪力墻的最大軸壓比為 0.4，最大剪壓比為 0.14。豎向構(gòu)件的軸壓比、剪壓比均滿足規(guī)范要求。中震計算下各結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋率較合理，可以達到相應性能要求。

4.4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

為保證結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，采用 PKPM 做 Pushover 分析，以評估結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能。側(cè)向力采用倒三角形荷載，作用于X、Y兩個方向，考慮二階效應的影響。

圖3 為主結(jié)構(gòu)在 7 度 0.1g罕遇地震作用下相應的能力譜和需求譜曲線，X向性能點對應的基底剪力為 49 462 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的 3 倍，對應結(jié)構(gòu)有效周期為 2.465 s，性能點附加阻尼比為 0.054，對應的最大層間位移角為 1/279；Y向性能點對應的基底剪力為 53 841 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的 3.5 倍，對應結(jié)構(gòu)有效周期為 2.277 s，性能點附加阻尼比為 0.033，對應的最大層間位移角為 1/325。兩個方向的性能點對應的層間位移角均＜1/100，可以滿足“大震不倒”的性能要求。

圖3 罕遇地震作用下能力曲線與需求曲線（X 向）

從整個推覆過程的出鉸狀態(tài)來看（見圖 4），核心筒內(nèi)的連梁和框架梁端首先出鉸，當結(jié)構(gòu)達到性能點時，剪力墻和框架柱均無出鉸，剪力墻頂部局部位置出現(xiàn)破壞，但不影響整個結(jié)構(gòu)，總體上符合預期的抗震性能設計目標。

圖4 塑性鉸出現(xiàn)情況

5 超限結(jié)構(gòu)與設結(jié)構(gòu)縫的方案對比

5.1 設置結(jié)構(gòu)縫的結(jié)構(gòu)體系

在塔樓豎向收進的位置設 120 mm 寬結(jié)構(gòu)縫，形成兩個結(jié)構(gòu)單元，左側(cè)塔樓的部分為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，右側(cè)裙房的部分為框架結(jié)構(gòu)體系。由于兩個結(jié)構(gòu)單元均未超限，可僅按小震彈性計算結(jié)果進行設計，滿足結(jié)構(gòu)抗震要求。由圖 5 可見，相比沒有設縫的超限結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)縫處增設了一排框架柱，同時在裙房和塔樓位置分別取消了 2 片和 1 片剪力墻區(qū)域。

圖5 設置結(jié)構(gòu)縫后的豎向構(gòu)件布置

5.2 設結(jié)構(gòu)縫前后的結(jié)構(gòu)方案對比

1）從結(jié)構(gòu)概念上，應盡可能地避免結(jié)構(gòu)薄弱位置的出現(xiàn)。對于存在豎向收進的結(jié)構(gòu)，尤其像本項目存在收進幅度較大的塔樓偏置情況，盡可能通過設置結(jié)構(gòu)縫使結(jié)構(gòu)形成若干結(jié)構(gòu)單元，減少結(jié)構(gòu)不規(guī)則性，提高抗震性能。

2）從建筑效果上，若設置結(jié)構(gòu)縫，在一定程度上會影響立面效果，降低建筑整體觀感和品質(zhì)。同時在設縫處需進行建筑連接處理，容易形成漏水等后期使用問題。

3）從工程造價上，從全樓的混凝土和鋼筋的用量對比（見表 4），可見混凝土總量相差不大，僅為 2 %；鋼筋總量相差近 15 %，差距主要體現(xiàn)在剪力墻和框架柱上，可見不設縫的情況下，結(jié)構(gòu)進行性能化設計和抗震措施加強，對于豎向抗側(cè)力構(gòu)件的布置和配筋率影響較大。

表4 設結(jié)構(gòu)縫與否的工程量對比

6 結(jié)語

1）針對存在豎向收進程度較大的高層建筑，可以采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，形成二道防線；合理布置剪力墻，保證設防地震作用下墻肢的平均拉應力≤2 倍混凝土抗拉強度。

2）體型收進部位的豎向構(gòu)件需加強，通過提高抗震等級、縱向鋼筋配筋率、箍筋加密等措施保證體型變化的上下層剛度差距不至于過大，避免形成薄弱層。

3）通過多遇地震和設防地震下的彈性分析、罕遇地震彈塑性分析指導結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)相對應的性能化目標。

4）將塔樓偏置的超限高層結(jié)構(gòu)與設置結(jié)構(gòu)縫后的若干非超限結(jié)構(gòu)單元這兩種結(jié)構(gòu)方案進行綜合對比，提供同類型建筑進行方案比選的數(shù)據(jù)參考。Q