某隔震建筑連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

李 林, 王安梅, 周忠發(fā), 張江滔, 陳 誠(chéng)

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

本工程為宜賓三江新區(qū)大健康醫(yī)療產(chǎn)業(yè)補(bǔ)短板項(xiàng)目-醫(yī)療服務(wù)中心,位于四川省宜賓市,主要使用功能為門(mén)診、醫(yī)技、住院及車(chē)庫(kù),包含綜合樓和住院樓,地上建筑面積約38 541m2,地下建筑面積約29 508m2。地下1層,隔震層設(shè)置在地下室頂板。其中綜合樓房屋高度為23.9m,地上4層,主要層高為6.0、5.4m,平面異形,X向長(zhǎng)度為109m、Y向長(zhǎng)度為85m,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu);住院樓房屋高度為35.1m,地上8層,主要層高為3.9、4.2m,平面呈矩形,X向長(zhǎng)度為27m、Y向長(zhǎng)度為105m,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。為保證綜合樓與住院樓間的通行,分別在兩棟樓的2、4層設(shè)置連廊,3、5層為不上人的連廊屋頂。建筑整體效果見(jiàn)圖1。

圖1 建筑效果圖

2 連廊結(jié)構(gòu)布置

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,設(shè)計(jì)工作年限為50年,建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí);50年一遇基本風(fēng)壓W0=0.30kN/m2,地面粗糙度類別為B類;抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類別為Ⅲ類。依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[1]附錄E和宜府辦函〔2010〕163號(hào)文件,將該場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度值提高至0.15g。

連廊樓面建筑標(biāo)高分別為5.15m和16.55m,高度分別為4.9m和5.2m,側(cè)面桁架結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2,樓面和屋頂結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖3和圖4。

圖2 連廊側(cè)面桁架結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 連廊樓面結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 連廊屋頂結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 連廊連接方式研究

連廊與塔樓的連接方式可以分為強(qiáng)連接和弱連接[2]。當(dāng)連接體或連接方式的剛度較弱,無(wú)法協(xié)調(diào)連接體兩側(cè)的主體結(jié)構(gòu)共同工作,即為弱連接;當(dāng)連接體和連接方式的剛度足夠,能夠?qū)⒏鲉误w結(jié)構(gòu)連接為整體、協(xié)調(diào)受力、協(xié)同變形,即為強(qiáng)連接[3]。

采用SAUSAGE軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析,對(duì)比有無(wú)連廊時(shí)兩側(cè)塔樓的質(zhì)量、振型和周期,進(jìn)行連廊連接方式的比選。結(jié)構(gòu)整體模型見(jiàn)圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)整體模型

根據(jù)工程特點(diǎn),連廊與兩側(cè)塔樓的對(duì)比連接方案有4種。方案1:無(wú)連廊;方案2:連廊與綜合樓固結(jié)連接,與住院樓采用彈性滑板支座連接;方案3:連廊與綜合樓、住院樓均采用隔震支座連接;方案4:連廊與綜合樓、住院樓均固結(jié)連接。

連廊質(zhì)量為375t,綜合樓質(zhì)量為61 647t,住院樓質(zhì)量為59 274t,連廊自身質(zhì)量與綜合樓的比值為0.61%,與住院樓的比值為0.63%。

通過(guò)各方案的塔樓振型對(duì)比可知,方案2和方案3的振型與方案1基本一致,表明這兩種連接方案的連廊對(duì)塔樓振型影響較小。

不同連接方案的結(jié)構(gòu)周期見(jiàn)表1。通過(guò)表1可知,方案4的第3振型為扭轉(zhuǎn)振型,扭轉(zhuǎn)周期比偏大,塔樓及連廊振型耦合在一起,兩側(cè)塔樓不對(duì)稱,高度不一致,結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性差異較大。采用兩端滑動(dòng)或一端滑動(dòng)的弱連接方案,連廊無(wú)法協(xié)調(diào)連接體兩側(cè)的塔樓結(jié)構(gòu)共同工作,對(duì)塔樓周期影響較小,塔樓結(jié)構(gòu)振型較為獨(dú)立。因兩側(cè)塔樓均采用隔震結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)上部位移較大,綜合考慮連廊質(zhì)量、振型、周期對(duì)比分析結(jié)果,同時(shí),考慮橡膠支座存在一定的剛度,最終采用連廊與綜合樓固結(jié),與住院樓滑動(dòng)連接的方案(方案2),通過(guò)彈性滑板支座自身滑動(dòng)變形能力,協(xié)調(diào)消化兩側(cè)塔樓之間的相對(duì)位移,避免住院樓出現(xiàn)連體結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)[4]。

表1 不同連接方案的結(jié)構(gòu)周期及對(duì)比

4 連廊對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響

設(shè)防地震下,七條地震波時(shí)程分析有無(wú)連廊時(shí)兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩平均值見(jiàn)表2。其中,無(wú)連廊單體模型分析時(shí),根據(jù)有連廊整體模型分析結(jié)果,將連廊質(zhì)量作為附加豎向荷載作用于兩側(cè)塔樓。

表2 設(shè)防地震下兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩對(duì)比

罕遇地震下,七條地震波時(shí)程分析有無(wú)連廊時(shí)兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩平均值見(jiàn)表3。

表3 罕遇地震下兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩對(duì)比

由表2和表3可知,在設(shè)防地震和罕遇地震作用下,連廊采用一端固結(jié)一端滑動(dòng)的弱連接方案,對(duì)塔樓的影響較小,有無(wú)連廊對(duì)比計(jì)算得出兩側(cè)塔樓的底部剪力和傾覆力矩基本一樣,表明本工程按單體模型進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)基本可行[5]。

5 連廊支座選型

罕遇地震下,含隔震層的有連廊整體模型和無(wú)連廊單體模型的七條地震波時(shí)程分析支座位移平均值見(jiàn)表4。其中,有連廊整體模型中彈性滑板支座相對(duì)位移為彈性滑板支座在同一時(shí)刻上下節(jié)點(diǎn)的最大相對(duì)位移。

表4 罕遇地震下有無(wú)連廊時(shí)支座位移對(duì)比

依據(jù)《建筑隔震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51408—2021)[6](簡(jiǎn)稱《隔標(biāo)》)第5.4.1條,選用的滑動(dòng)支座最大變形量需不小于768mm;綜合考慮,選用彈性滑板隔震支座ESB700,彈性滑板支座水平極限位移為1 100mm,設(shè)計(jì)水平位移限值為0.75×1 100=825mm,滿足兩側(cè)塔樓的相對(duì)變形需求。彈性滑板支座設(shè)計(jì)力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 ESB700彈性滑板支座設(shè)計(jì)力學(xué)性能參數(shù)

風(fēng)荷載作用下,連廊部位的體型系數(shù)取2[7],計(jì)算所得連廊最大水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值為85.4kN,小于總重力的10%,經(jīng)復(fù)核連廊固結(jié)端承載力滿足要求;重力荷載代表值作用下滑動(dòng)支座最大壓應(yīng)力為2.6MPa,小于15MPa;罕遇地震下,支座未出現(xiàn)拉應(yīng)力。連廊滑動(dòng)端彈性滑板支座及其滑動(dòng)平臺(tái)見(jiàn)圖6。

圖6 彈性滑板支座及滑動(dòng)平臺(tái)圖

6 隔震層對(duì)連廊的影響

罕遇地震下,七條地震波有無(wú)隔震層時(shí)帶連廊整體模型的時(shí)程分析支座位移平均值見(jiàn)表6。

表6 罕遇地震下有無(wú)隔震層時(shí)支座位移對(duì)比

通過(guò)有無(wú)隔震層整體模型對(duì)比計(jì)算可知,有隔震層時(shí),結(jié)構(gòu)周期較長(zhǎng),塔樓隔震層上部結(jié)構(gòu)層間位移角較小,連廊所受地震作用較小,但支座相對(duì)位移較大,故采用相對(duì)變形較大的彈性滑板支座來(lái)滿足位移要求。

7 連廊防落防撞措施

為防止在極端不利情況下,連廊支座位移超過(guò)極限位移,并與塔樓結(jié)構(gòu)發(fā)生撞擊或跌落,采取了以下措施:1)增加滑動(dòng)端彈性滑板支座滑移面板尺寸,保證上支座在滑移面板內(nèi)正常工作;2)住院樓結(jié)構(gòu)上與連廊樓面對(duì)應(yīng)位置設(shè)置50mm厚橡膠墊,且在連廊樓面端部焊接端板,以增大樓面弦桿與橡膠墊發(fā)生碰撞時(shí)的接觸面積[8];3)連廊桁架端柱上部與主體結(jié)構(gòu)間均設(shè)置一道防墜拉索,以加強(qiáng)防落安全儲(chǔ)備,作為第二道防線。拉索平時(shí)松弛,承載力不小于1 000kN,固定端拉索預(yù)留150mm的伸長(zhǎng)量,滑動(dòng)端拉索預(yù)留850mm的伸長(zhǎng)量,避免拉索過(guò)短影響小震、中震、大震下滑動(dòng)支座的變形。

8 連廊舒適度分析

根據(jù)連廊邊界條件、實(shí)際受力情況簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型后,采用MIDAS Gen計(jì)算的第一階豎向自振模態(tài)和橫向自振模態(tài)見(jiàn)圖7和圖8。第一階豎向自振頻率為9.49Hz,大于3Hz;第一階橫向自振頻率為2.81Hz,大于1.2Hz,滿足要求。

圖7 第一階豎向自振模態(tài)

圖8 第一階橫向自振模態(tài)

連廊的建筑功能為通行封閉走廊,依據(jù)《建筑樓蓋振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[9]施加人群豎向荷載和橫向荷載[10],相應(yīng)曲線見(jiàn)圖9。人群荷載激勵(lì)下,連廊節(jié)點(diǎn)的豎向加速度和橫向加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖10,最大豎向加速度為0.004m/s2<0.15m/s2,最大橫向加速度為0.002m/s2<0.10m/s2,均滿足要求。

圖9 人群荷載曲線

圖10 加速度時(shí)程曲線

9 連廊及其相關(guān)范圍的設(shè)計(jì)

9.1 性能目標(biāo)

鑒于隔震建筑間連廊結(jié)構(gòu)的特殊性,根據(jù)《隔標(biāo)》第4.4節(jié)及其條文說(shuō)明,將連廊及其相鄰上層以下各層框架柱、剪力墻定義為關(guān)鍵構(gòu)件,滿足中震彈性,大震不屈服的性能目標(biāo)。

9.2 構(gòu)件性能水平

兩側(cè)塔樓采用旋挖鉆孔灌注樁基礎(chǔ),以中風(fēng)化泥巖為樁端持力層,計(jì)算沉降差為6mm,沉降差引起的固定端弦桿附加內(nèi)力僅27.3N/mm2,對(duì)桿件影響較小。結(jié)構(gòu)豎向地震影響系數(shù)最大值取水平地震影響系數(shù)最大值的65%,控制豎向有效質(zhì)量系數(shù)大于95%。

連廊跨度25.3m,寬度5.4m,長(zhǎng)寬比為4.7,長(zhǎng)寬比較大,存在一定的邊鞘效應(yīng)。將連廊的水平地震作用效應(yīng)乘以系數(shù)3,再作為水平附加力作用于連廊上。水平附加力標(biāo)準(zhǔn)值為506.3kN,大于水平風(fēng)荷載,故僅計(jì)算水平附加力對(duì)固定端支座的影響?？紤]水平附加力對(duì)固定端支座形成的剪力由樓板承擔(dān),形成的力矩由樓面兩側(cè)弦桿承擔(dān)。

經(jīng)計(jì)算,設(shè)防地震下,混凝土樓板滿足抗剪要求,連廊最大應(yīng)力比0.51,小于1.0,滿足中震彈性的要求;罕遇地震下,連廊最大應(yīng)力比0.90,小于1.0,仍能保持較好的彈性性能。

有連廊整體模型和無(wú)連廊單體模型彈塑性分析結(jié)果表明連廊及兩側(cè)塔樓相關(guān)范圍構(gòu)件均能滿足性能目標(biāo)的要求。罕遇地震作用下,連廊及其相關(guān)范圍構(gòu)件的性能水平見(jiàn)圖11。由圖可知,連廊無(wú)損壞,與連廊相連框架柱、剪力墻輕微或輕度損壞,各關(guān)鍵構(gòu)件均滿足性能目標(biāo)要求。

圖11 罕遇地震下連廊及其相關(guān)范圍構(gòu)件的性能水平

9.3 綜合樓相關(guān)范圍的加強(qiáng)措施

(1)樓板加厚至180mm,鋼筋雙層雙向通長(zhǎng)布置,通長(zhǎng)配筋率不小于0.25%。

(2)框架抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)提高一級(jí)。

(3)與連廊相連框架柱箍筋全長(zhǎng)加密,按中震彈性,大震不屈服進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

9.4 住院樓相關(guān)范圍的加強(qiáng)措施

(1)剪力墻抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)提高一級(jí)。

(2)與滑動(dòng)平臺(tái)相連剪力墻在連廊屋頂標(biāo)高以下均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,按中震彈性,大震不屈服進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(3)與連廊相連滑動(dòng)平臺(tái),按大震彈性設(shè)計(jì)。

9.5 連廊的加強(qiáng)措施

(1)為提高連廊的豎向剛度、承載力和整體性,樓面及屋頂平面內(nèi)增加斜向支撐形成平面桁架,并與兩側(cè)側(cè)面桁架形成空間桁架結(jié)構(gòu)[11]。平面桁架和側(cè)面桁架橫向腹桿間距一樣,均在縱向弦桿處剛接連接,形成橫向框架,保證連廊屋頂風(fēng)荷載和地震作用向樓面的有效傳遞。

(2)局部加長(zhǎng)固結(jié)端連廊樓面寬度,加高固結(jié)端弦桿節(jié)點(diǎn),增強(qiáng)連廊與綜合樓的連接,增加平面內(nèi)的剛度。

(3)采用隔震縫構(gòu)造處理連廊與住院樓間滑動(dòng)縫,建筑地面和欄桿構(gòu)造做法參照《建筑隔震構(gòu)造詳圖》(滇20G9-1)中樓面隔震縫構(gòu)造和過(guò)道隔震縫處欄桿扶手構(gòu)造處理。

(4)兩側(cè)桁架腹桿、上弦桿不與綜合樓連接,減小固結(jié)端的豎向連接剛度,減少對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)的不利影響。

(5)預(yù)留固結(jié)端連接節(jié)點(diǎn),待兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)完工且后澆帶封閉后,方可提升安裝連廊構(gòu)件,減少基礎(chǔ)沉降和結(jié)構(gòu)變形的不利影響。

10 結(jié)論

(1)針對(duì)水平位移和體量差異大的隔震建筑連廊的連接特點(diǎn),進(jìn)行了3種連接方式的選型分析,最終采用一端固結(jié),一端滑動(dòng)的弱連接方式來(lái)減弱連廊對(duì)兩側(cè)隔震建筑主體結(jié)構(gòu)的影響,同時(shí)避免塔樓出現(xiàn)連體結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)。

(2)設(shè)防地震和罕遇地震作用下,連廊對(duì)兩側(cè)隔震建筑的影響較小,塔樓結(jié)構(gòu)底部剪力和傾覆力矩基本一樣,塔樓結(jié)構(gòu)按單體模型進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)基本可行。

(3)隔震建筑連廊滑動(dòng)端相對(duì)位移較大,宜采用相對(duì)變形較大的彈性滑板支座來(lái)滿足位移要求,減少連廊對(duì)兩側(cè)塔樓的不利影響。

(4)隔震建筑連廊應(yīng)重視防落防撞措施和舒適度分析并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。