某卫生中心超限结构设计与分析

摘要：介绍了某卫生中心的超限结构设计，由于建筑功能的要求，东侧及北侧存在斜柱。采用SATWE及MIDAS/GEN软件，对结构进行弹性阶段的对比分析，针对本工程的特殊性，制定了基于整体及构件的性能化目标，以确保结构安全，使其具有较好的抗震性能

关键词：超限高层;斜柱;抗震性能化设计

一、工程概况

本工程位于安徽省合肥市，项目建设总建筑面积为72937.43㎡，其中地上建筑面积约51247.43㎡，地下建筑面积约21150㎡。整个建设用地由A座、B座，C座，D座四栋塔楼及一层地下室组成，各塔楼高度，分别为：A座77m、B座24m、C座35m、D座49m，建筑效果图如图1所示。

本工程设计基准期以及结构设计使用年限均为50年，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，地下室防水等级为一级，抗震设防类别为乙类（重点设防类），抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，场地类别Ⅱ类，特征周期Tg=0.38s，地面粗糙类别为B类，50年一遇基本风压为0.35kN/m2（承载力设计时，按0.385 kN/m2），基本雪压为0.60kN/m2。地下室顶板作为上部结构的嵌固端。A座采用钢筋混凝凝土框架-剪力墙结构，框架及抗震墙抗震等级均为一级。

二、结构体系

（一）结构体系概述

A座塔楼高度为77m，18层，为追求建筑效果，采用层层收进的形式，底层建筑宽度约为37.2m，长度约为75.2m，标准层宽度约为25.0m，长度约为42.6m。主要采取的柱网尺寸为9.6m×8.4m、8.1×8.4、6.6×8.4三种，结构最大悬挑约为5m。框架柱主要以钢筋混凝土柱为主，北侧及东侧布置钢管混凝土斜柱。为满足建筑立面及使用功能要求，最终结构方案存在扭转不规则（偏心布置），楼板不连续，局部斜柱等不规则现象。2层及标准层结构平面布置图见图2，三维模型见图3

（二）地基及基础

场地第③层粘土层土层较厚，厚度近40m，场地地下水分布以潜水分布为主，抗浮水位为室外地坪下1.0m。A座采用桩筏基础，桩型采用预应力混凝土管桩，直径500mm，竖向单桩承载力为1500kN，考虑到斜柱斜插入底板，存在较大的水平分力，故筏板厚度取1200mm，并且填芯以增加斜柱处桩水平抗剪能力，B、C、D座采用桩基承台加防水板形式，防水板厚度500mm，纯地下室部分不满足整体抗浮要求，故此处采用抗拔桩来抵消水浮力。

（三）超限判别

（1）由于建筑第2～9层东侧为通高中庭，质量偏心严重，造成结构计算时最大扭转位移比为1.37，各层最大偏心率Eex=0.60，Eey=0.30;（2）建筑第2～9层中庭处及第18层应急指挥中心有开大洞，造成局部楼板有效宽度小于典型楼板宽度的50%;（3）建筑第1～8层北侧及东侧存在穿层斜柱（斜柱处典型剖面见图4），第12层楼面处存在拖柱转换情况。

根据全国超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点，本工程存在的超限情况主要包括：1）扭转不规则;2）偏心布置;3）楼板不连续;4）局部不规则

三、抗震性能目标及超限设计

（一）抗震性能目标

A座塔楼为规则性超限高层建筑，采用基于性能的抗震设计方法，以提高结构的抗震可靠性，满足小震不坏，中震可修，大震不倒的设防目标，根据有关规定，本工程进行抗震性能评估时，要求在多遇地震（小震）下，满足性能水准1的要求，在设防烈度地震（中震）下，满足性能水准3的要求，在预估罕遇地震（大震）下满足性能水准4的要求，即性能目标定位C级。结构及构件的抗震性能目标详见表1

（二）多遇地震作用下的计算和分析

结构在多遇地震下的整体计算采用SATWE和MIDAS进行对比分析，主要对比结果见表2，从表中可以看出两种软件计算结果比较接近，主要计算指标均满足规范要求，说明结构体系比较合理

（三） 设防地震作用下的计算和分析

根据表1中不同构件性能目标的不同，采用SATWE软件对结构分别进行了中震弹性、中震不屈服的等效弹性计算，主要参数见表3，并在后续的施工图设计中相关构件按计算结果进行设计。

（四）小偏心受拉剪力墙墙肢全截面平均名义拉应力验算

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（2015版）》，应验算小偏心受拉构件的名义拉应力是否满足要求，并按特一级设计。在进行验算时，采取的组合工况为1.0恒+0.5活+1.0地震，此时应不考虑由于薄弱层等因素按规范相应调整的地震内力，即宜用不考虑地震力放大的标准组合内力计算偏心受拉剪力墙墙肢的名义拉应力：

经计算，所有墙肢在中震下名义拉应力均小于混凝土抗拉强度。

（五）跃层柱长细比分析

A座的南侧及东侧存在跃层柱，尤其是东侧由于建筑中庭的原因，存在跨越多层的斜柱（中庭处典型剖面见图4），由于跃层柱、楼板、核心筒体等构件相互约束、相互支撑，跃层柱的屈曲稳定必然会受到周边构件的约束影响，因此跃层柱计算长度系数应采用结构整体模型进行屈曲分析，根据分析结果合理确定。跃层柱的分布情况见图2

采用MIDAS/GEN对跃层柱进行屈曲分析，为加快跃层柱的屈曲，在所分析的跃层柱柱顶施加100000～100000kN不等的外力。得到各个跃层柱的屈曲临界荷载，然后根据欧拉公式反推算各柱的计算长度系数，其表达式为：

其中：EI 为柱沿屈曲方向的截面弹性抗弯刚度;Pcr为柱的屈曲临界荷载; L为跃层柱的几何长度（斜柱取斜向几何长度）

分析得到的跃层柱计算长度和计算长度系数详表4，实际设计中的计算长度系数结合《混凝土结构设计规范》及《钢结构设计规范》偏安全的选取。典型柱屈曲模态见图6

四、结语：

（1）A#塔楼，存在扭转不规则、偏心布置、楼板不连续、局部不规则，属于超限工程，通过采用多种分析手段，进行有针对性的抗震措施，可以使其具有良好的抗震性能。

（2）采用两个不同的有限元软件MIDAS/GEN，SATWE进行分析，结果表明各项指标比较接近，并满足相关规范要求，说明结构体系比较合理

（3）在中震作用下，各构件满足预定的抗震性能目标，针对不同构件在施工图设计中对计算结果取小震及中震的包络设计值

（4）对中震下产生小偏心受拉的墙肢，配筋适当加强，按特一级进行设计

（5）对结构中存在的跃层柱进行屈曲分析，合理确定其计算長度，已达到经济适用的要求。

参考文献：

[1] 刘建飞.武汉诚功大厦超限结构设计[J]. 建筑结构，2016，46（19）：99-103

[2] 焦柯.7度区超限高层框筒结构受拉墙体抗震性能分析[J] .建筑结构，2017，47（1）：33-36

[3] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S]. 全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会，2015.

作者简介：王洋，硕士研究生，工程师。