某中醫院綜合樓超限結構設計

張兆超，韓振林，董傳磊

(山東省建筑設計研究院有限公司，山東 濟南 250001)

1 工程概況

本工程為山東中醫藥大學附屬醫院西院區綜合樓建設項目，位于濟南市歷下區，由高層主樓和多層裙房組成。項目整體規劃，分期建設，本文介紹一期部分。該一期項目總建筑面積109 987.11 m2，其中地上建筑面積75 656.16 m2，地下建筑面積34 330.95 m2。本工程地下部分為3層，地上部分由5層裙房(門診醫技)和15層主樓(病房)兩部分組成。首層室內外高差為0.30 m，地下3層～地下1層層高分別為4.1 m,4.1 m,4.8 m，地上1層層高為6.00 m，2層～5層層高為4.50 m，6層及以上層高為3.90 m，結構高度為66.30 m(裙房結構高度為24.60 m)，結構平面尺寸為102.55 m(東西)×163.20 m(南北)。

本工程地上、地下部分均不設變形縫，整個工程連為一體，地下1層頂板為上部結構的嵌固部位。建筑效果圖見圖1。

工程結構設計使用年限為50 a，結構設計安全等級為一級，結構重要性系數γ0=1.1。地基基礎的設計等級為甲級，抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，地震作用按0.15g計算，抗震等級按8度。設計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅱ類，規范反應譜特征周期為Tg=0.45 s。計算地震作用時，采用GB 50011—2010建筑抗震設計規范[1]第5.1.5條提供的地震影響系數曲線，多遇地震作用下的水平地震影響系數最大值為0.12，基本地震作用下的水平地震影響系數最大值為0.34，罕遇地震作用下的水平地震影響系數最大值為0.72。結構阻尼比為0.05。彈性時程分析時輸入地震加速度的最大值為55 cm/s2。基本風壓應按50 a重現期的風壓值采用，基本風壓值w0=0.45 kN/m2，承載力設計時取基本風壓的1.1倍，地面粗糙度類別按B類。

2 基礎設計

根據場地巖土工程勘察報告，基礎持力層為④層閃長巖殘積土，承載力特征值為380 kPa，天然地基滿足結構荷載要求，主樓及裙房均采用筏板基礎，其中主樓筏板厚度為1 700 mm、裙房及地下車庫筏板厚度為1 200 mm。

由于場區地下水位較高，自筏板底算起的抗浮水頭為13.0 m，純地下室及門診大廳無上部結構的部分采用抗浮錨桿。錨桿直徑250 mm，有效長度按10 m，單根錨桿抗拔承載力特征值為210 kN，間距為1.6 m。

3 結構體系與布置

結構形式為現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，利用樓電梯間形成的交通核心設置剪力墻，同時考慮結構體型及框-剪結構的剪力墻布置要求，在適當位置設置剪力墻，形成具有多道抗震防線的鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，保證了整個建筑物的抗震性能。根據性能化設計的要求，部分剪力墻墻肢較厚，混凝土剪力墻的厚度最厚為550 mm、最薄為250 mm；剪力墻混凝土強度等級自下部的C60變化至上部的C40。框架柱則是自下而上混凝土強度等級由C60到C40均勻變化，并且與截面的縮小分層進行，以保證結構自下而上剛度的均勻變化。梁板混凝土強度等級為C30。剪力墻的抗震等級為一級，框架的抗震等級為一級(體型收進部位周邊柱提高至特一級)。主樓的樓蓋采用主次梁體系，各樓層的樓板均采用現澆鋼筋混凝土樓板，板厚一般為120 mm，在部分特殊部位的樓板進行了加厚、加強處理。標準層結構平面示意圖見圖2。

4 結構超限類別和要求

主樓的結構高度均為66.300 m，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]中A級高度鋼筋混凝土高層建筑關于高度方面的有關規定，高度不超限。

本工程非大跨結構，也不存在轉換層、加強層、錯層、連體等復雜高層情況。但是，本工程存在扭轉不規則、樓板局部不連續、體型收進，以及局部穿層柱，達到三項不規則情況，為抗震超限高層結構[3]。此外，底部裙房的平面尺寸東西為102.55 m、南北為163.20 m，結構超長，需考慮樓板的溫度應力及中震和大震下的樓板應力。

5 計算分析

5.1 小震彈性反應譜分析

小震彈性反應譜整體分析采用YJK和Midas building軟件，兩個軟件的計算結果進行比較，確保整體模型計算的可靠性。僅考慮水平地震作用，不考慮豎向地震作用。地震作用計算時采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解方法，并考慮偶然偏心和雙向地震的影響。混凝土容重為26 kN/m3，連梁剛度折減系數為0.6，中梁剛度增大系數為2.0，框架梁梁端負彎矩調幅系數為0.85，梁內力增大系數為1.0，梁扭矩折減系數為0.4，周期折減系數采用0.80，地震和風荷載計算考慮最不利作用方向，上部結構的嵌固部位為地下室頂板。兩種軟件的三維計算模型如圖3所示。

分析結果顯示，計算結果均差別不大，各項指標滿足規范要求。計算振型數為15個，其中前10階振型見表1，可以看出，兩種軟件計算的結構主要周期差別不大，可以采信；結構周期比Tt/T1，YJK計算為0.83，Midas計算為0.86，均滿足A級高度高層建筑限值0.90的規定。

表1 模態分析主要計算結果

圖4～圖7給出兩種軟件計算的地震下的位移及位移角對比，結果顯示，兩種計算軟件的計算結果基本一致，各項指標均滿足規范要求。

5.2 小震彈性時程計算分析

地震波采用兩組實際強震記錄天然波1 Big Bear-01_NO_907,Tg(0.43)、天然波2 Coalinga-01_NO_364,Tg(0.44)和一組人工模擬地震波人工波1 ArtWave-RH2TG045,Tg(0.45)，輸入YJK軟件進行彈性時程分析。所采用3組地震加速度時程曲線均滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續時間。分析結果見表2。

表2 小震彈性時程分析的主要結果及與反應譜法的對比

從表2中可以看出，時程分析時，每條時程曲線計算所得X向、Y向的結構底部最小剪力均分別大于振型分解反應譜法結果的65%；3條時程曲線計算所得X向、Y向的結構底部剪力的平均值均大于相應振型分解反應譜法結果的80%，所選地震波滿足規范要求。

3組地震波作用下，樓層位移角均小于反應譜法的計算結果；3組地震波作用樓層地震剪力的包絡值在結構大部分樓層均小于規范反應譜法的計算結果，說明在這些樓層規范反應譜法的計算結果可以滿足設計要求，但少部分樓層出現了3組波的包絡反應值大于反應譜法計算結果的情況，需要對反應譜法的計算結果進行特殊處理。具體處理辦法是在結構整體配筋計算時，采用在YJK軟件中將此類樓層的地震剪力乘以放大系數的方法予以解決，此放大系數為各樓層3組波的包絡地震剪力與規范反應譜法計算結果的比值。

5.3 性能化設計

為保證結構的安全，需要提高重要結構構件的安全度水平。底部加強區剪力墻和框架柱為主要豎向抗側力構件，對于保證整體結構的剛度和承載力起著關鍵作用，為此，結構構件的抗震性能目標底部加強區(裙房以上一層)取C級、底部加強區以上取D級。對于底部加強區剪力墻和框架柱按中震抗彎不屈服、抗剪彈性和大震抗剪不屈服包絡設計；對于躍層柱按中震抗彎、抗剪彈性和大震抗彎、抗剪不屈服包絡設計；非底部加強區剪力墻和框架柱按中震抗彎、抗剪不屈服設計。

采用YJK軟件按等效彈性振型分解反應譜法進行計算。

計算結果表明，關鍵構件在中震彈性工況下未出現抗剪超筋信息，在中震不屈服工況下未出現抗彎超筋信息；同時，關鍵構件的最大剪力與截面抗剪承載力之比均不大于1.0，說明各關鍵構件滿足本工程設定的抗震性能目標要求。此外，普通豎向構件及耗能構件均滿足本工程的既定設計目標，結構安全可靠。

本工程所建場地抗震設防烈度較高，部分剪力墻墻肢在地震作用下所受拉力較大，需要對其進行雙向地震作用下的偏拉驗算。根據分析結果可知，一層墻肢拉力較大，部分受拉墻肢的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值，因此，在對應受拉墻肢超1.0的邊緣構件內設置型鋼，型鋼承擔拉應力,同時對應該區域墻肢的抗震構造措施提高至特一級。二層僅個別墻肢拉應力平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值，處理措施同一層墻肢。

5.4 大震彈塑性時程分析

利用SAUSAGE軟件對結構進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，選取罕遇地震水準下的兩組天然波和一組人工波，根據規范規定，將地震波加速度峰值調整為310 cm/s。

圖8，圖9為各地震波作用下結構的最大層間位移角曲線，可以看出，最大層間彈塑性位移角均小于規范規定的1/100，滿足大震不倒的設防要求。

三條地震波下剪力墻和連梁的性能分布狀態顯示，剪力墻未出現輕度的混凝土受壓損傷，鋼筋的塑性應變基本小于3.5倍的鋼筋屈服應變，可判斷底部剪力墻大部分處于輕度損壞的狀態。剪力墻連梁出現較為嚴重的受壓損傷，大部分處于重度損傷的狀態，說明剪力墻連梁在地震作用下首先屈服，很好的起到了耗能作用。圖10為天然波1,2剪力墻及連梁混凝土性能狀態分布圖。另外，底部框架柱在大震作用下出現較小的損傷，處于輕微損傷狀態。框架梁在大震作用下出現較大的損傷，處于輕度～中度損壞狀態，起到了一定的耗散地震能量的作用；框架梁柱在剪力墻筒體剛度退化后起到了一定的抗側力作用，發揮了其作為二道防線的作用。

5.5 抗震構造主要加強措施

針對本工程的具體特點與結構超限情況，在設計中主要采取以下技術措施：

1)按規范要求從嚴控制底部加強區的剪力墻及框架柱的軸壓比，并適當加大底部加強區范圍剪力墻的構造配筋率，適當加大穿層框架柱的配筋率和配箍率，并全高加密箍筋。

2)門診大廳上空各層樓板開洞，將洞口周邊樓板厚度加厚為150 mm，配筋計算時將該層樓板設為彈性板進行結構整體計算，樓板配筋采用通長配筋并適當加大配筋率(板配筋率不小于0.25%)處理，并按中震及大震下的樓板應力分析結果進行配筋加強。

3)主裙樓之間在裙房屋面以上存在體型收進，收進位置較高，結構剛度的突然降低使其形成薄弱部位，對結構抗震不利。設計時，控制收進處底部樓層層間位移角不大于相鄰下部區段最大層間位移角的1.15倍；體型收進部位上下各2層周邊框架柱的抗震等級提高為特一級，并加強其配筋構造措施；特一級框架柱設置芯柱；此層突變部位及上下層樓板加厚為150 mm，雙層雙向配筋，控制配筋率不小于0.30%，此層上下層結構的樓板也相應加強構造措施，并按中震及大震下樓板應力分析結果加強樓板配筋；底部加強區延伸至裙房頂上一層；將中部高層病房按單塔樓模型進行補充計算，并在施工圖設計時與整體模型計算結果進行包絡設計。

6 結語

針對本工程的特點和結構超限情況，采用兩種軟件進行了比較分析，對多遇地震作用下進行了彈性時程的補充計算分析，按性能化設計的方法對結構進行中、大震的性能化設計，并對結構進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，各項結果表明結構整體指標良好，均能滿足規范的各種要求。在特殊部位均進行了計算或構造加強處理，以確保結構的整體性能和抗震目標的實現。