超限高層薄弱部位結構抗震分析與應對

劉勇強

一、工程概況

華池縣人民醫院門急診住院綜合樓工程位于甘肅省華池縣城南，東側及南側為規劃路，北側為道路收費站，西側為柔遠河。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，結構偏心大，扭轉大，抗震差。為使建筑平面簡單規則，減少偏心利于抗震，結構將主樓分為二個矩形單體，即A段和B段（見附圖一），A,B段嵌固端均設在±0.00處，±0.00板及地下室連為整體，地上設抗震縫分為二個單體。裙房無地下室，地上與主樓（A,B段）用抗震縫分開。

該建筑結構安全等級為二級，設計使用年限50年。抗震設防烈度為6度，建筑場地類別為I類，設計地震分組為第二組，地震加速度值為0.05g，場地特征周期0.30s。，結構形式為鋼筋混凝土框架結構，框架抗震等級二級。

二．結構超限類別及超限程度

本工程采用鋼筋混凝土框架結構，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）長度12米，屬于雙塔連體復雜高層結構。（見附圖二）

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，規范定為平面不規則超限，屬于樓板局部不連續結構。

結論：本工程A段屬雙塔連體復雜高層及樓板局部不連續結構。

三．應對超限的結構布置

結構布置的總體思路：A段結構薄弱部位在立面裝飾大洞的底部及立面裝飾大洞二側的豎向構件，對裝飾大洞的底部及裝飾大洞的側邊構件應采取補強措施。連接體及連接體相連的部位也是薄弱部位，應予以加強。為此，1）對裝飾大洞底部（三層現澆樓板）板厚度取200mm,加大平面的剛度，且雙層雙向配筋，增強對主體的約束力，減小A段整體的扭轉效應。2）裝飾大洞二側的框架柱抗震等級提高一級，適當加大框架柱的截面，控制其軸壓比不大于0.50，提高框架柱的配箍率，增強豎向構件的延性。建筑立面大洞二側的框架柱截面為800x800方柱，且框架柱截面不隨層數的增加而減小，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，連接節點設加腋，以增強連接體與主體的整體剛度。連接體延伸至主體內一跨，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材料，以減小地震作用的不利影響。

4）對二層平面大洞口周邊加大框架梁的梁截面，增加現澆板的厚度，彌補由于建筑平面開大洞使結構平面剛度削弱的不利影響。

四．結構計算軟件及計算模型的選擇

結構計算采用的計算軟件：

本工程結構分析計算采用中國建筑科學研究院研制開發的“PKPM”系列軟件(2008版)，主要有：

①PMCAD——結構平面計算機輔助設計軟件

②SATWE——多高層建筑建筑結構空間有限元分析軟件（墻元模型）2008版

③PMSAP____復雜多高層結構分析軟件（廣義協調墻元模型）2008版

由于該工程A段結構屬于雙塔連體復雜高層，雙塔從地上三層起至九層底，九層以上為二層連接體，連接體對主樓的影響分為二種情況考慮：即：1）九層以上按單塔計算（不考慮連接體部分對主樓的約束作用） 2）九層以上按雙塔計算（考慮連接體對主樓的約束作用），經過對二種情況分別計算分析后，選用九層以上為雙塔的計算模型。原因：1）與九層以上為單塔的結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算模型進行設計是偏于安全的。

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

五．計算結果分析

1.整體結果如下：

計算軟件 SATWE PMSAP 規范限值

（控制值） 判定

周期折減系數 0.65 0.65 0.60~0.70 符合

振型數 30 30 ≥15 符合

阻尼比 0.05 0.05 0.05 符合

結構總質量 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

有效質量系數 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

采用彈塑性計算程序PUSH進行結構的彈塑性靜力推覆分析，X、Y方向的結構能力曲線和需求譜曲線

彈塑性靜力分析結論：

本樓能量譜曲線均能穿越需求譜曲線，在罕遇地震下結構的層間位移角均能滿足規范要求，并有一定的安全儲備。

六．抗震性能設計

本樓為雙塔連體結構，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，針對這些薄弱部位分別進行中震彈性計算和中震不屈服計算，并按二種計算結果較大的配筋值進行設計。

七． 超限設計的措施及對策

1．結構計算方面

選用中國建筑科學研究院編制的PKPM2008版系列軟件SATWE和PMSAP程序進行結構計算，考慮耦聯作用、偶然偏心的影響及雙向地震作用力。

2．性能設計目標

對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.主要加強措施

（1）采用雙塔連體計算簡圖，采用合理的計算參數。

（2）與塔樓底部相連的框架梁柱提高一級抗震等級，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，增強對塔樓的約束力。

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

（4）大洞兩側及連接體的框架梁抗震等級提高一級，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，節點連接設加腋，增強連接體與主體的整體剛度。

（6）對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）采用中震彈性計算和中震不屈服計算所得配筋的較大值進行施工圖設計。

從整體計算結果來看，結構沿高度方向的剛度是均勻變化的，無突變，無軟弱層。計算結果表明平面扭轉不大，位移較小，留有很大的安全儲備，只要加強洞口兩側的構造措施，結構的是安全。

本工程2009年12月通過甘肅省超限工程專項審查委員會的審查。

注：文章內所有公式及圖表請用PDF形式查看。