超限高层建筑结构设计探讨—以骨科临床诊疗中心为例

余骊影，范 进

(1.南京理工大学，江苏 南京 210094；2.上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

1 项目概况

上海第六人民医院骨科临床诊疗中心项目(效果图见图1)总建筑面积68 524 m2，地上15层高度57.2 m，地下3层深度19 m。本工程为扭转、侧向刚度不规则的超限高层装配式建筑，同时考虑建筑施工功能要求，采用钢框架+防屈曲波纹钢板墙+屈曲约束支撑结构体系。

图1 项目效果图

2 结构体系选型

诊疗中心若采用框架结构，位移角虽能满足规范1/250要求，但是纯框架结构缺少二道防线，对乙类建筑来说安全冗余度较小，且地震作用下水平位移较大，会导致两楼间抗震缝宽度非常大，建筑上难以衔接处理。若采用混凝土核心筒+钢框架结构，诊疗中心楼电梯间偏置，利用其构造核心筒导致结构扭转效应显著，计算结果也不理想。

故该中心选用钢框架+防屈曲波纹钢板墙(NCB)+屈曲约束支撑(BRB)结构体系。小震下，NCB和BRB提供抗侧刚度，中震和大震下可耗能，减小钢框架的地震损伤。NCB与BRB均为防屈曲的消能减震构件，前者优势在于布置灵活、方便建筑开洞，后者优势是比较通透。本工程因为建筑布置的原因，同时采用了NCB和BRB两种消能构件。

3 弹性分析及其主要结果

本工程采用PMSAP和YJK两种软件进行多遇地震下弹性分析。水平和竖向地震作用计算采用振型分解反应谱法，考虑重力二阶效应，水平地震作用考虑双向地震以及偶然偏心的影响，且进行弹性时程分析作为补充。为考虑高阶振型影响，结构分析采用振型数取15，各阶振型贡献按CQC组合。计算结果显示，两软件考虑扭转耦联的前6阶自振周期相似，扭转平动周期比在0.81和0.804，地震下最大层间位移角1/383，位移比1.28，剪重比3.14%，风载下最大层间位移角1/1 052，皆满足抗规限值。

按照抗规，带支撑框架结构的抗侧刚度可采用剪弯刚度[2]，YJK结果显示，所有楼层的剪弯刚度和楼层抗剪承载力比也均满足规范要求，因此，诊疗中心结构没有薄弱层与软弱层，地震层剪力无需放大。分塔后，各层0.2V0调整系数均为1.0，地震层剪力无需放大。小震下钢框架柱最大应力比为0.71，钢框架梁最大应力比为0.96，位于梁端，节点设计值梁端加腋可减小应力比。

根据场地周期Tg相近原则选用七组地震波(SHW1、SHW4、RH4TG090、TH1TG090、Kocaeli、Irpinia、Chi-Chi)，加速度时程曲线最大值为35 cm/s2。根据底部剪力的时程分析结果可得，在各相应周期点上，七组时程曲线的地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数相差在5%～15%，七波平均值相差12%，满足地震波频谱特性要求[2]。

4 中庭侧墙稳定分析

综合楼和诊疗中心之间的中庭侧墙和顶棚均附着于诊疗中心布置。顶棚采用变截面钢梁悬挑，悬挑长度为8～9 m。侧墙通高37.2 m，为增加其侧向刚度，在每层布置1.5 m宽的水平桁架，并由四角立柱构成一个整体的竖向桁架。竖向桁架顶与顶棚钢梁连接，作为顶棚钢结构的竖向支承，顶棚钢结构也作为竖向桁架的侧向支承。竖向桁架面外厚度较小，高度较高，存在整体或局部失稳的可能，故需对侧墙钢结构进行Midas Gen稳定性验算。

设计中，采用1.0D+1.0L组合进行静力屈曲分析。中庭侧墙的第一阶屈曲模态出现在整体结构的第30阶模态，如图2所示，按该屈曲模态赋予整体跨度1/300的初始缺陷，进行几何非线性稳定分析[4]。以侧墙钢结构中典型节点作为监控位移点，其荷载-位移曲线如图3所示。结构达到稳定性极限承载力时，结构稳定性极限承载力临界系数K>5，满足规范的相关要求。

图2 第一阶屈曲模态 图3 监测点侧向位移-荷载曲线

5 整体模型罕遇地震下结构动力弹塑性时程分析

5.1 分析方法和软件

本工程的弹塑性分析是基于显式积分的动力弹塑性分析，采用PERFORM-3D对结构地震作用下的非线性反应进行模拟。梁单元采用端部集中塑性区、中部弹性梁的组合单元，墙、柱单元采用纤维截面。波纹钢板墙采用Infill Panel,Shear Model进行模拟，双阶屈服屈曲约束支撑采用Inelastic

steel material,Non-Buckling进行模拟。

整个分析分为两步进行：第一步：“恒+0.5活”加载计算。第二步：地震波时程计算。采取人工波SHW8和天然波SHW10、SHW13，双向同时输入，主、次向幅值比为1.0∶0.85。中震地震波的峰值按100 cm/s2；大震地震波的峰值取200 cm/s2。

5.2 总体分析结果

三组地震波作用下基底剪力值约37 661～52 372 kN，大震下时程分析基底剪力与小震下反应谱基底剪力比值约3.4～4.4，说明通过增设NCB和双阶BRB，可有效耗散地震能量，减小结构的地震响应。各组地震波作用下，结构依然处于稳定状态，整体未出现不可恢复侧向变形，双向层间位移角分布在1/153～1/111，满足1/100的限值要求。各条波作用下层剪力曲线变化形式基本一致。

5.3 时程曲线

以SHW13为例，图4为大震下X向基底剪力时程曲线，可以看出，弹塑性分析的基底剪力峰值和顶点位移峰值均比弹性时程的有所减小，表明弹塑性分析中结构有构件进入屈服，减小了结构的刚度和地震力的输入。图5为大震下X向顶层位移时程曲线，可以看出，加载前30 s，弹塑性与弹性时程曲线基本重合，30 s后，弹塑性时程曲线逐渐延后于弹性时程曲线，即弹塑性时程曲线晚于弹性时程曲线出现，表明结构的自振周期增大。

5.4 构件损伤和附加阻尼比

以SHW13为例，大震下，大部分梁出现轻度损坏或中度损坏；更多的柱出现轻度损伤，小部分柱出现中度损伤；子结构梁出现轻度损坏或中度损坏，子结构柱个别出现轻度损坏；关键构件中，部分梁柱出现轻度损伤。结构梁的塑性损伤重于柱的塑性损伤，满足强柱弱梁的设计准则。大震下NCB和双阶BRB均可屈服耗能，滞回曲线更加饱满。通过NCB和双阶BRB耗能，中震下结构X和Y方向最小的附加阻尼比为1.3%和1.0%；大震下结构X和Y方向最小的附加阻尼比为2.5%和2.6%。

6 结 论

上海第六人民医院骨科大楼临床门诊中心诊疗中心为扭转及侧向刚度不规则的超限高层建筑。本文通过盈建科和PMSAP振型分解反应谱法和弹性时程分析法对结构多遇地震进行弹性分析，结构体系整体安全合理。中庭侧墙非线性稳定分析结果表明结构达到稳定性极限承载力时，结构稳定性极限承载力临界系数K>5，关键性构件安全稳定。波纹钢板墙和双阶屈服屈曲约束支撑双耗能形式，为结构提供一定刚度和所需的附加阻尼比。通过弹塑性动力时程分析，验证罕遇地震下钢板墙与屈曲约束支撑的增设使得诊疗中心具有更好的抗震性能，满足规范关于“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。

[ID:013170]