某超限高层的抗震设计分析

2012-08-01郑建峰

山西建筑 2012年14期

郑建峰

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 工程概况

某医院综合住院楼，主楼地上17层，地下1层(包括1层设备层);裙楼地上5层，地下1层(包括1层设备层)。主楼建筑总高度69.09 m;裙楼建筑总高度21.99 m。该工程主体采用框架—剪力墙结构，基础采用钢筋混凝土梁板式筏形基础，所有楼板均采用现浇钢筋混凝土楼板。根据《建筑抗震设防分类标准》，本工程属于重点设防类建筑，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第一组。抗震措施按本地区抗震设防烈度提高1度即9度进行设计。框架与剪力墙抗震等级:抗震措施为一级;抗震构造措施为特一级。

本工程受建筑功能限制，主裙楼间不能设变形缝，设置沉降后浇带调节沉降差。本工程长101.6 m，采用设一道温度后浇带及一些其他措施调节温度收缩。图1为该工程主、裙楼平面图，图2为主楼平面图。

2 结构超限情况

根据《建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)统一培训教材》及《山西省抗震设防超限高层建筑工程界定规定》中的条文，本工程平面和竖向规则性指标中有两项超出规范的要求:1)即塔楼偏置:单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%。由于受建筑功能制约，主、裙楼间未能设置变形缝，进而出现如下问题:上部楼层与下部大底盘的质心偏心距15.4 m，相应大底盘边长的 61.2 m，二者之比 15.4/61.2=25.16%，超出规范要求的20%。2)刚度突变:相邻楼层刚度变化大于70%或连续三层变化大于80%。本楼第四层(设备层)X向楼层最小抗剪承载力之比0.71，Y向楼层最小抗剪承载力之比0.78，均小于规范要求。

3 结构抗震计算和分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.12规定，体型复杂、结构布置复杂一级B级高度的高层建筑结构应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。本工程的结构整体计算采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE和特殊多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP，采用弹性时程分析法进行了多遇地震下的补充计算，采用了PUSH进行了弹塑性分析的补充计算。

3.1 抗震性能目标的确定

图1 主裙楼平面图

图2 主楼平面图

因本工程建筑形式和功能的要求，采用主楼和裙楼结合的建筑体型，从而使结构体型出现了塔楼偏置的超限情况，且由于本建筑属于医院综合楼，在四层布置有设备层，层高较低，出现了楼层刚度突变，导致结构侧向刚度不规则。结合本工程实际情况和业主要求，以及通过征询专家意见，并结合相关规范要求，确定本工程抗震性能目标为C级，相应的性能水准:多遇地震下为1，设防烈度地震为3，预估的罕遇地震为4;并据此对结构进行了相应的计算和设计分析。

3.2 多遇地震下结构整体计算和分析

3.2.1 计算参数的确定

1)因本工程塔楼偏置，质量和刚度分布不均匀，故根据JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程第4.3.4条规定，对质量和刚度不对称、不均匀的高层建筑结构应采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法，计算振型数取为15;根据4.3.2条规定，计算双向水平地震作用下的扭转影响;根据《高规》4.3.17条规定，计算自振周期折减系数取为0.8;楼板将定为在平面内无限刚性。2)根据地质勘查报告，确定本工程地震烈度8度，基本地震加速度0.20g，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组第一组，多遇地震水平影响系数最大值0.16，罕遇地震水平影响系数最大值0.90，特征周期0.45，结构阻尼比0.05。3)因本工程结构形式为框架—剪力墙，框架柱在裙楼顶部发生较大变化，故根据高规8.1.4条，将框架柱剪力分两段进行了调整，调整系数由程序自动生成。

3.2.2 计算结果分析

如表1所示为在多遇地震下两种计算程序，SATWE和PMSAP的结构计算结果，从中可知两种程序的各项计算指标基本接近，结构自振周期在合理范围之内，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比小于0.9，楼层最大扭转位移比小于1.4，这表明本工程结构布置具有必要的抗扭刚度，但是扭转效应较为明显，抗侧力构件布置还可以进一步优化;楼层最大层间位移角小于1/800，表明在正常使用条件下，主体结构基本处于弹性受力状态。该结构刚重比EJd/GH2＞2.7，可以不考虑重力二阶效应，结构在水平力作用下保持稳定，不会失稳倒塌。水平地震计算作用时，结构各楼层的最小剪重比大于规范所要求的3.2%，有效质量系数大于规范所要求的90%;最小楼层抗剪承载力之比小于1，即本结构类型属于竖向不规则，出现了软弱层，需要采取一定的加强措施。

表1 多遇地震下结构整体计算分析结果

3.2.3 弹性时程分析

根据高规要求，对于刚度沿竖向分布不规则的建筑，在采用振型分解反应谱法进行分析外，还需采用时程分析方法进行补充计算。本工程选取了5条天然波和2条人工波进行了时程分析，并取7条波的平均值同振型分解反应谱法的计算结果做了比较，如图3所示可知，振型分解反应谱法(CQC法)与平均谱在结构主振型周期点(1.6 s)上的影响系数相当接近，且不大于20%，即在统计意义上相符。

图3 规范谱与平均谱比较图

3.3 罕遇地震计算结果分析

表2为罕遇地震下楼层层间弹塑性位移角，从表2中可知在荷载方向与X轴夹角为0°和90°的两种情况下，通过静力弹塑性分析所得的本楼最大层间位移角均小于规范规定的1/100。笔者通过塑性铰分布图找到了最大位移角发生的楼层以及塑性铰分布较密的区域。在结构设计中，对相应部位采取了加强措施:加大剪力墙的配筋率，以提高其在罕遇地震下的延性，减小塑性变形，增强结构安全性。

表2 层间弹塑性位移角

4 抗震设计优化与构造措施

1)在裙楼部分增设了数片剪力墙，以调整突出部分的刚度，减小质心偏移过大造成的扭转影响。2)通过调整裙房的剪力墙布置及主楼两侧框梁的高度，减小了主、裙楼的刚性偏心距，增强了主楼的抗扭刚度，减小了偶然偏心下楼层的层间位移比。3)将裙楼屋顶(标高17.420 m)楼板及其上下层(标高15.170 m、标高21.320 m)楼板加强(板厚150 mm，配筋率不小于0.25%，配筋双层双向)，以增强质心偏移过大处的整体性。4)提高地下1层～4层竖向构件抗震构造措施，提高框架柱纵向钢筋的配筋率，剪力墙全部设置约束边缘构件，以保证建筑底部出现塑性铰后具有足够的延性。