超限高層薄弱部位結(jié)構(gòu)抗震分析與應(yīng)對(duì)

劉勇強(qiáng)

一、工程概況

華池縣人民醫(yī)院門急診住院綜合樓工程位于甘肅省華池縣城南，東側(cè)及南側(cè)為規(guī)劃路，北側(cè)為道路收費(fèi)站，西側(cè)為柔遠(yuǎn)河。門急診住院綜合樓工程地下一層，地上十一層。其中地下一層為人防及設(shè)備用房，地上十一層均為門診，住院及辦公用房。本工程建筑面積為22000平方米，建筑高度37.80米。

門急診住院綜合樓工程平面呈L形，結(jié)構(gòu)偏心大，扭轉(zhuǎn)大，抗震差。為使建筑平面簡(jiǎn)單規(guī)則，減少偏心利于抗震，結(jié)構(gòu)將主樓分為二個(gè)矩形單體，即A段和B段（見(jiàn)附圖一），A,B段嵌固端均設(shè)在±0.00處，±0.00板及地下室連為整體，地上設(shè)抗震縫分為二個(gè)單體。裙房無(wú)地下室，地上與主樓（A,B段）用抗震縫分開。

該建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年。抗震設(shè)防烈度為6度，建筑場(chǎng)地類別為I類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，地震加速度值為0.05g，場(chǎng)地特征周期0.30s。，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)二級(jí)。

二．結(jié)構(gòu)超限類別及超限程度

本工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，超限部分在A段，A段立面地上三層至九層C~F軸間建筑開有裝飾大洞，大洞頂部有連廊連通，連體（連廊）長(zhǎng)度12米，屬于雙塔連體復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)。（見(jiàn)附圖二）

A段二層樓板平面B~F軸建筑開大洞，形成一二層通高共享空間，樓板的剛度急劇變化，開洞面積為250.80平方米。開洞面積與樓層面積之比為42%，開洞面積大于30%，樓板凈寬度為2.7米，小于樓面典型寬度的一半，規(guī)范定為平面不規(guī)則超限，屬于樓板局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)。

結(jié)論：本工程A段屬雙塔連體復(fù)雜高層及樓板局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)。

三．應(yīng)對(duì)超限的結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)布置的總體思路：A段結(jié)構(gòu)薄弱部位在立面裝飾大洞的底部及立面裝飾大洞二側(cè)的豎向構(gòu)件，對(duì)裝飾大洞的底部及裝飾大洞的側(cè)邊構(gòu)件應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。連接體及連接體相連的部位也是薄弱部位，應(yīng)予以加強(qiáng)。為此，1）對(duì)裝飾大洞底部（三層現(xiàn)澆樓板）板厚度取200mm,加大平面的剛度，且雙層雙向配筋，增強(qiáng)對(duì)主體的約束力，減小A段整體的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。2）裝飾大洞二側(cè)的框架柱抗震等級(jí)提高一級(jí)，適當(dāng)加大框架柱的截面，控制其軸壓比不大于0.50，提高框架柱的配箍率，增強(qiáng)豎向構(gòu)件的延性。建筑立面大洞二側(cè)的框架柱截面為800x800方柱，且框架柱截面不隨層數(shù)的增加而減小，保持薄弱部位的框架柱豎向剛度不突變。3）連接體與主樓采用剛性連接，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)加腋，以增強(qiáng)連接體與主體的整體剛度。連接體延伸至主體內(nèi)一跨，連體部分的框架梁截面為400x1200，框架梁高取跨度的十分之一。連接體部分的隔墻材料采用輕質(zhì)材料，以減小地震作用的不利影響。

4）對(duì)二層平面大洞口周邊加大框架梁的梁截面，增加現(xiàn)澆板的厚度，彌補(bǔ)由于建筑平面開大洞使結(jié)構(gòu)平面剛度削弱的不利影響。

四．結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件及計(jì)算模型的選擇

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的計(jì)算軟件：

本工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制開發(fā)的“PKPM”系列軟件(2008版)，主要有：

①PMCAD——結(jié)構(gòu)平面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件

②SATWE——多高層建筑建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件（墻元模型）2008版

③PMSAP____復(fù)雜多高層結(jié)構(gòu)分析軟件（廣義協(xié)調(diào)墻元模型）2008版

由于該工程A段結(jié)構(gòu)屬于雙塔連體復(fù)雜高層，雙塔從地上三層起至九層底，九層以上為二層連接體，連接體對(duì)主樓的影響分為二種情況考慮：即：1）九層以上按單塔計(jì)算（不考慮連接體部分對(duì)主樓的約束作用） 2）九層以上按雙塔計(jì)算（考慮連接體對(duì)主樓的約束作用），經(jīng)過(guò)對(duì)二種情況分別計(jì)算分析后，選用九層以上為雙塔的計(jì)算模型。原因：1）與九層以上為單塔的結(jié)果相比連接體的框架梁柱配筋偏大，2）連接體的層間位移比偏大，因此選用九層以上為雙塔的計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)計(jì)是偏于安全的。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)：計(jì)算振型數(shù)30，周期折減系數(shù)：0.65 考慮偶然偏心，雙向地震作用，中梁剛度增大系數(shù)：2.0 樓層剛度算法：層間剪力比層間位移。

五．計(jì)算結(jié)果分析

1.整體結(jié)果如下：

計(jì)算軟件 SATWE PMSAP 規(guī)范限值

（控制值） 判定

周期折減系數(shù) 0.65 0.65 0.60~0.70 符合

振型數(shù) 30 30 ≥15 符合

阻尼比 0.05 0.05 0.05 符合

結(jié)構(gòu)總質(zhì)量 Gz=121096.10 kn Gz=78323.00 kn

總地震剪力 VxE=607.60 kn VxE=817.60 kn

VyE=892.89 kn VyE= 176.00kn

有效質(zhì)量系數(shù) X向:99.77 % X向: 99% ≥90% 滿足

Y向: 99.17% Y向:99 %

總地震彎矩 X向: 23887.20knm X向:20066.10 knm

Y向:27690.07 knm Y向:4411.80 knm

抗傾覆彎矩 Mrx=863769.90 knm Mrx=542926.90 knm

Mry= 2332438.50knm Mry=1495424.60 knm

傾覆彎矩 Mox= 33532.30knm Mox=24008.70 knm

Moy=39182.50 knm Moy=24875.00 knm

Mr/Mo X向:25.76 X向:22.60 滿足

Y向:59.53 Y向:60.12

最大彈性層間位移角 ux/h=1/2086 ux/h=1/2940 ≤1/550 滿足

uy/h=1/2155 uy/h=1/2848

層間最大位移比 X向:1.25 X向:1.16 ≤1.20 滿足

Y向:1.06 Y向:1.06

T1（s） ( T1)1.7366 ( T1)1.2987

T2（s） 1.6577 1.2414

Tt（s） (Tt)0.3023 (Tt)0.3807

Tt/T1 0.174 0.293 ≤0.9 滿足

軸壓比 0.40 0.35 ≤0.7 滿足

剛重比 X向:5.16 X向:145.66 》1.4

且》2.7 滿足

Y向:6.49 Y向:190

本層與上一層抗剪承載力之比最小值 X向:0.97 X向:0.98 第4層 ≥0.8 滿足

Y向:0.95 Y向:0.98 第4層

2．罕遇地震作用下彈塑性分析

采用彈塑性計(jì)算程序PUSH進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈塑性靜力推覆分析，X、Y方向的結(jié)構(gòu)能力曲線和需求譜曲線

彈塑性靜力分析結(jié)論：

本樓能量譜曲線均能穿越需求譜曲線，在罕遇地震下結(jié)構(gòu)的層間位移角均能滿足規(guī)范要求，并有一定的安全儲(chǔ)備。

六．抗震性能設(shè)計(jì)

本樓為雙塔連體結(jié)構(gòu)，連接體及主樓與連接處的梁柱（高度從地下室至屋頂范圍）為抗震薄弱部位，為提高該部位的抗震性能，針對(duì)這些薄弱部位分別進(jìn)行中震彈性計(jì)算和中震不屈服計(jì)算，并按二種計(jì)算結(jié)果較大的配筋值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

七． 超限設(shè)計(jì)的措施及對(duì)策

1．結(jié)構(gòu)計(jì)算方面

選用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的PKPM2008版系列軟件SATWE和PMSAP程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，考慮耦聯(lián)作用、偶然偏心的影響及雙向地震作用力。

2．性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)連接體及連接體與主體連接部位的梁柱（范圍從地下室至屋頂）薄弱部位按中震不屈服控制。

3.主要加強(qiáng)措施

（1）采用雙塔連體計(jì)算簡(jiǎn)圖，采用合理的計(jì)算參數(shù)。

（2）與塔樓底部相連的框架梁柱提高一級(jí)抗震等級(jí)，框架柱的軸壓比控制在0.4以下，縱向鋼筋的配筋率不小于1.2%，采用復(fù)合箍，配箍率不小于1.2%。三層樓板（塔樓底部）厚度200mm，雙層雙向配筋，增強(qiáng)對(duì)塔樓的約束力。

（3）大洞兩側(cè)（C、F軸）的框架柱抗震等級(jí)提高一級(jí)，軸壓比控制在0.35以下，縱筋的配筋率不小于1.2%,采用復(fù)合箍，配箍率不小于1.2%。

（4）大洞兩側(cè)及連接體的框架梁抗震等級(jí)提高一級(jí)，梁截面寬度不小于400mm，高度不小于800mm。

（5）連接體與主體采取剛性連接，節(jié)點(diǎn)連接設(shè)加腋，增強(qiáng)連接體與主體的整體剛度。

（6）對(duì)雙塔連接體部位及主體與連接體連接部位的框架梁柱（立面開大洞兩側(cè)）采用中震彈性計(jì)算和中震不屈服計(jì)算所得配筋的較大值進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

從整體計(jì)算結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)沿高度方向的剛度是均勻變化的，無(wú)突變，無(wú)軟弱層。計(jì)算結(jié)果表明平面扭轉(zhuǎn)不大，位移較小，留有很大的安全儲(chǔ)備，只要加強(qiáng)洞口兩側(cè)的構(gòu)造措施，結(jié)構(gòu)的是安全。

本工程2009年12月通過(guò)甘肅省超限工程專項(xiàng)審查委員會(huì)的審查。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用PDF形式查看。