锡沂高新区医疗装备产业园1#楼结构设计

（上海结宇建筑设计有限公司，上海 200335）

1 工程概况

锡沂高新区医疗装备产业园项目位于新沂市高新技术产业板块，西临长江路，南侧是太行山路，北侧为北京东路。地块整体功能是高端医疗装备产业园，1#楼为地下1层，地上12层的高层厂房（结构大屋面高度为54m）， 带3层裙房， 总建筑面积27429.09m2。建筑效果图如图1所示。考虑到建筑使用要求以及结构设计的合理性，在1#楼中部设置抗震缝（图2），把整体结构分成左右两个各带3层裙房的单体。本文主要介绍1#楼左边单体，主要设计软件为YJK，辅助分析软件为PMSAP。

图1 建筑效果图

图2 三层结构平面图（虚线范围内为上部标准层范围）

该工程设计基准周期为50年，结构安全等级为二级。基本风压取50年一遇为0.35kN/m2，地面粗糙度为B类，建筑体形系数取1.4。建筑抗震设防类别为丙类。地震抗震设防烈度为8度（0.2g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.40s，阻尼比为0.05[1]。医疗类厂房，重力荷载代表值中活荷载组合值系数取0.7。

2 结构布置及超限情况

2.1 结构布置

1#楼为高层厂房，带地上3层裙房（层高分别为6m、4.8m、4.2m），4~12层，层高4.2m。采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，楼盖采用现浇混凝土梁板式结构，首层楼板厚度为180mm，框架柱和核心筒墙混凝土强度等级从C45逐步变为C30，框架柱截面从下到上为900×900、800×800，核心筒墙厚自下而上为600～400mm。图2为三层结构平面图。

1#楼因建筑功能要求，室内地面抬高至0.55m，室外大地库顶板标高为-1.3m，两者高差达1.85m，采用YJK分别按地下室顶板嵌固与基础嵌固的模型进行包络设计。并在室外内高差处采用加腋的方式传递地震剪力。对室内外高差处框架柱进行中震不屈服验算。

2.2 塔楼结构超限

工程主要超限情况[2]：（1）扭转不规则，Y向考虑偶然偏心最大扭转位移比大于1.2；（2）底部3层与上部楼层相比偏心率大于0.15；3）上部楼层收进后的水平尺寸B1与下部楼层B的比值为0.7，小于0.75，收进高度比H1/H=0.30＞0.2；属竖向尺寸突变。另外中部小筒体周边电梯、楼梯、开洞较多，裙房层中部有较大开洞，个别楼层有局部错层。

2.3 抗震加强措施

2.3.1 结构扭转的控制和加强措施

为了控制结构的扭转位移比，采用塔楼下部4层把周边柱由800×800改为900×900，周边梁由400×700改为500×800，经过调整结构大部分楼层扭转位移比由1.26减小到1.2以下；裙房角柱由600×600改为700×700，经过调整结构3层位移比由1.41降低到1.38。同时加强底部加强层角柱的配筋，按中震不屈服控制。

2.3.2 竖向收进的加强措施

控制上部收进楼层底部层间位移角不大于下部楼层位移角的1.15倍[1]；底部加强部位的高度取到裙房顶，约束边缘构件往上伸一层；裙房顶部的楼板厚度取为140mm，采用双层双向配筋，每层单向配筋率不小于0.25%；裙房顶的上一层和下一层楼板也适当加厚，控制配筋率不小于0.25%；柱箍筋在裙房屋面上下层范围内全高加密。

2.3.3 楼板开洞的加强措施

中部小筒体周边电梯、楼梯开洞较多。双筒间楼板按弹性板进行应力分析，中震工况下电梯周边开洞位置处楼板应力较大，局部超过混凝土的抗拉强度。将两筒之间楼板板厚加厚到140mm，楼板应力减小，满足中震弹性的要求。对此板采用双层双向配筋，每层单向配筋率不小于0.25%，对开大洞附近楼板，附加设置加强钢筋，阳角设置放射筋。

3 结构计算与分析

3.1 弹性分析

多遇地震下的结构整体分析采用YJK进行计算，并采用PMSAP软件进行对比分析[1]，计算时考虑了偶然偏心和双向地震作用，并对计算结果进行了比较。计算分析结果见表1。对比发现，两种程序计算得到的结构总质量、周期、层间位移角、楼层剪力等结果，在数值上均较接近，误差较小，沿楼层的变化规律一致。可以认为由程序计算得到的分析结果是合理、准确的；计算结果用于结构设计是安全可靠的。

表1 结构弹性分析主要结果

3.2 弹性时程分析

本工程不规则类型较多，采用了多遇地震下的弹性时程分析进行补充验算。按抗规要求进行地震波选取，控制地震三要素（频谱特性、有效峰值、持续时间）满足规范[3]要求。计算选择两条人工波 （ArtWave-RH4TG040、ArtWave-RH2TG040）和五 条 天 然 波 （Taiwan-05_NO_2951、Gilroy_NO_2039、Northridge -04_NO_1679、Taiwan -02_NO_2183、Taiwan -05_NO_2948），时程分析时主方向地震峰值加速度70cm/s2，每条波均按主方向、次方向双向输入（峰值加速度比值1∶0.85）。图3为规范谱与反应谱对比图。地震波持续时间满足结构基本周期的5～10倍，主要周期（前3）与反应谱法周期差值＜20%，满足规范要求。

图3 规范谱与反应谱对比图

图4 楼层剪力分布曲线

图5 楼层位移分布曲线

图4 为楼层剪力分布曲线，图5为楼层位移分布曲线。时程分析结果显示，基底剪力平均值等于振型分解反应谱法基底剪力的81%；且每条地震波计算的基底剪力不小于振型分解反应谱法基底剪力的65%，不大于振型分解反应谱法基底剪力的130%。满足规范要求。时程曲线计算出来的结构最大层间位移角均小于1/800，满足规范要求。1层层高较高（6m），裙房到3层顶，此两处均存在刚度突变，楼层最大位移角曲线的突变印证了刚度的突变。时程分析结果表明，结构刚度合适，且与反应谱结果相符。顶部三层楼层剪力大于振型分解反应谱法基底剪力（系数分别为1.184、1.062、1.047），其余楼层剪力小于振型分解反应谱法基底剪力。在结构设计时，各层分别按照各层时程分析放大系数 （下部为1，顶部三层分别为1.184、1.062、1.047）进行放大；对结构不同楼层分别指定放大系数，既保证结构的安全性，又兼顾结构的经济性。

3.3 静力弹塑性分析

A楼裙房偏置较多，抗震存在一定的不规则，为了验证结构设计是否满足规范“大震不倒”和预期的“中震可修”的性能化要求，采用 YJK软件对结构进行罕遇地震作用下的静力弹塑性分析（Pushover）。采用能力谱方法进行结构延性分析，按以下步骤[4]进行：①施加竖向荷载；②对结构侧向推覆加载，获得结构的PUSH-OVER曲线；③将PUSH-OVER曲线转化成能力谱曲线；④由抗规[2]地震影响系数曲线导出需求谱曲线；⑤计算能力谱曲线上各点的结构阻尼比；⑥由大震下的需求谱和结构能力谱，计算结构的性能点；⑦根据性能点处大震下的结构位移角，判断位移是否满足要求。

3.3.1 结构静力弹塑性分析的参数

结构分析模型的有关假定作如下说明：结构有效质量及分布同弹性模型，即采用重力荷载代表值对应的荷载水平和质量分布，重力荷载代表值按 “1.0×恒载 +0.7×活载”取值。地震力推覆计算过程在竖向荷载效应的基础上进行。结构阻尼比按5%取值。大震需求谱按照高规[1]第4.3.7条设定。αmax=0.90，Tg=0.45s。 根据高规[1]第3.11.4条条文说明中提到：静力弹塑性计算分析中采用的侧向作用力分布形式宜适当考虑高阶振型的影响，可采用第3.4.5条提出的“规定水平地震力”分布形式。推覆荷载采用规定水平力形式，分别进行了X+推覆、X-推覆、Y+推覆、Y-推覆分析。

3.3.2 静力弹塑性分析的总体结果简述

两向正反方向的Pushover分析的性能点显示，基底剪力最小值46530.76kN；由图6可知弹塑性位移角满足规范1/100的限值要求，且有很大的余量。由图7中可以看出性能点处仅局部主梁损伤较大，框架柱和剪力墙大震损伤较轻，裙房顶位置处的损伤程度略大于低区和中高区。随着加载步的进行，连梁首先出现塑性铰，接着框架梁进入塑性，底部剪力墙出现塑性铰，角柱出现塑性铰。对分析出现的薄弱部位进行加强，加强底部加强部位剪力墙和底部角柱的配筋，控制小震工况底部加强部位剪力墙的轴压比小于0.3，控制小震工况底部角柱的轴压比小于0.7，约束边缘构件延伸至裙房层以上一层。经过调整后再次进行分析，结构表明底部剪力墙和角柱等关键构件损伤减小，获得较好的抗震性能。

图6 弹塑性最大位移角

图7 性能点处损伤图（第22步）

4 结论

（1）针对本工程的超限情况，采用合理的加强措施，改善了结构的抗震性能。采用了YJK和 PMSAP两种软件对多遇地震下的结构进行了整体分析，同时补充了弹性时程分析，并对结构进行包络设计，保证了结构的安全和抗震能力。

（2）对结构进行了罕遇地震下的结构静力弹塑性分析，结果表明结构弹塑性位移角满足规范要求，重要部位损伤较小。并找出结构薄弱部位，对出现塑性铰的部位采取了相应加强措施，改善了结构的抗震性能。同时也满足了规范规定的“大震不倒”的设防目标。采用结构静力弹塑性分析可弥补弹性设计的不足，为类似不规则的结构设计提供参考。

参考文献：

［1］JGJ 3-2010高层混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011．

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 [EB/OL].[2015-05-21].http://www.mohurd.gov.cn/wjfb/201505/t20150528_220992.html．

［3］GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010．

［4］薛彦涛，徐培福，肖从真，等.静力弹塑性分析(PUSHOVER)方法及其工程应用[J].建筑科学，2005，21（6）：1-6.