某醫院綜合樓項目抗震性能化設計的結構分析

李 響

(華東建筑設計研究總院，上海 200002)

1 概述

地震地面運動分為三個水準，即多遇地震(小震)、設防烈度地震(中震)以及預估的罕遇地震(大震)。其中，一般將底部加強區的豎向構件定義為關鍵構件；在地震來臨之際消耗能量的構件歸于耗能構件(框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐)，除此之外的豎向構件為普通構件。JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程(以下簡稱《高規》)3.14.1中根據宏觀判斷損壞程度、構件分類和是否有繼續使用的可能等三方面，提出了地震作用下構件彈性、不屈服和滿足斜截面抗剪承載力三檔計算假定，四級結構抗震化性能目標(A，B，C，D)和五個抗震性能水準，來適應結構方案的特殊性。GB 50011—2010建筑抗震設計規范(以下簡稱《抗規》)附錄M也對實現抗震性能設計目標提供了參考方法，但計算假定和性能目標略有區別。

2 規范對性能目標的具體規定

規范中對地震作用參數選取和其他章節的小震相比較，總體來說，剪重比、薄弱層軟弱層、0.2V0調整系數均不參與計算，周期折減系數為1.0，中梁剛度放大系數取1.0，風荷載無需參與組合，阻尼比增大幅度不超過0.2，連梁剛度折減系數不低于0.3。《高規》第3.11.3條給出每個性能目標的具體設計要求，一般而言，允許耗能構件先于關鍵構件和普通構件進入屈服階段，而且對于各個豎向構件和耗能構件的性能設計，在分別考慮受剪承載力和正截面(抗彎)承載力設計要求(構件符合強剪弱彎的設計要求)的前提下，規定三檔設計目標：

1)在設防烈度(中震)地震作用下，滿足彈性設計要求：外力分項系數保留，但不考慮與抗震等級調整系數；內力調整考慮抗震承載力調整系數γRE的影響。

2)在設防烈度(中震)地震作用下，滿足不屈服設計要求，即不考慮γRE的影響，不考慮荷載分項系數、組合系數等；同時計算內力按照Rk，即材料強度標準值計算，提高了承載力設計值。

3)在允許部分豎向構件及大部分耗能構件進入屈服階段的同時，應控制構件的抗剪截面滿足要求，以避免發生脆性受剪破壞：

《抗規》中附錄M有四檔設計目標，與《高規》的區別點在于：a.將地震作用下，彈性分析時分為考慮抗震等級相關的地震調整系數與不考慮兩種情況，計入和不計入不同抗震等級的內力調整系數，其安全性的高低略有區別；b.地震作用不屈服情況下，抗力按照材料極限強度的最小設計值考慮。

一般而言，中震彈性分析下的計算設計值會比小震大，但中震不屈服目標下的計算值和小震彈性設計相比較，有增大也有減小的因素。一般對于框架結構而言，構件在三、四級抗震等級下，中震作用內力放大約為：抗剪不屈服約為小震1.25倍～2.5倍，抗彎不屈服約為1.25倍～2倍，只有在一級框支柱及二級框架柱構件設計中，考慮風荷載組合的小震計算值與中震不屈服目標下的計算值相當。特殊的，對于特一級框架柱、框支柱以及一級框架柱，中震內力恒小于小震彈性內力。對于框架—剪力墻結構中的剪力墻而言，中震不屈服下的計算值會比小震彈性設計值大幅增加，而在底部加強區以上部位，小震、中震對剪力墻的作用基本相當。

除此之外，《抗規》量化明確了在不同性能目標下，震后變形(彈性、塑性位移)的要求，此不贅述。本文著重論述在中震不屈服及大震性能化設計過程中的操作。

3 工程實例

1)本工程為框架—剪力墻結構，位于上海市楊浦區，綜合樓主樓地上16層(不含設備層)，大屋面結構高度72.400 m，與主樓連為整體的裙房部分地上7層(不含夾層)，屋面結構高度35.500。本工程基本抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，Ⅳ類場地，特征周期0.9 s，阻尼比0.05。罕遇地震時，水平地震影響系數最大值0.45(見圖1，圖2)。

本工程有塔樓偏置、樓板大開洞、位移比超過1.2等超限項，根據《高規》的要求，應做性能化設計。初步確定本工程的抗震性能目標為D級，小震、中震、大震作用下對應的性能水準分別為“1級，4級，5級”，如表1所示。

即關鍵構件(底部加強區)抗彎抗剪中震不屈服，普通豎向構件抗剪截面滿足不屈服，除此之外，允許進入屈服階段。以首層(塔樓部分)平面布置為例，由于剪力墻及框架柱抗震等級為一級，小震與中震作用下的計算結果如圖3～圖5所示。

表1 抗震性能設防目標

由此可見，對于框架柱而言，由于小震作用下內力調整放大效果顯著，且相對于剪力墻而言剛度偏弱，框架設計結果要比中震不屈服性能目標下的計算值大(角柱尤其明顯)。對于剪力墻而言，由于剛度大，地震作用大幅增加，中震作用效力需通過增設型鋼(抗)或布置阻尼器或隔震支座(放)來設計。由于結構平面布置、建筑功能限制等原因，能夠設置位移型阻尼器的位置很少，故采用加設型鋼抵抗地震力作用。此外，通過設置型鋼與不設置型鋼的兩個計算模型相比較可知，采用鋼筋與型鋼等強度換算的方式設計剪力墻端(暗)柱，結果基本吻合。最終底部加強區按照三個模型取包絡設計。同時，由于模型中鋼骨的建入，結構整體剛度有小幅度提高(于位移角計算值中體現)。

2)樓、屋面是傳遞豎向荷載和水平荷載、聯系剪力墻和框架柱的重要構件，是水平力作用下協調整體變形和發揮結構空間整體性能的重要組成部分。

本工程裙房部分中庭樓板大開洞，X向有效樓板寬度/相應樓板總寬度=55.1%>50%；Y向有效樓板寬度/相應樓板總寬度=61.9%>50%；開洞面積/本層面積=458.9/3 647=12.6%<30%，所以綜合樓樓板連續性滿足規范要求。樓板應力分析主要針對連接薄弱和樓板開大洞的區域，通過應力分布圖得出樓板受力集中與相對薄弱的部位，為樓板的構造加強提供依據。采用YJK軟件對結構進行了三維計算分析，采用彈性板單元模擬樓板，針對L3層和L5層樓板在小震及中震作用進行了研究。在驗算樓板的應力時需要根據不同的設計工況采取相應的不同的性能指標，設計性能目標如表2所示。

表2 樓板設計性能目標

其中中震不屈服設計目標為考慮樓板開裂，最大主拉應力由板內受力鋼筋來承擔，且受力鋼筋應力不超過屈服強度。樓板應力分析根據地震反應譜法(CQC)的計算結果，采用地震作用下最不利情況作為樓板應力分析的設計值。樓板在小震及中震工況下的應力分析如圖6所示，經分析，除局部角點處的應力集中外，通過增加板厚、雙層雙向配筋等形式滿足地震力的中震設計要求。

3)在大震作用下，《高規》中規定，靜力彈塑性分析適用于高度不大于150 m的建筑，本工程大震下的靜力推覆分析采用PKPM/EPDA&PUSH作為求解器，進行彈塑性計算。由于本工程立面南側單側收進，補充了以南北方向做正、反向的推覆分析。與小震下的基底剪力比較值見表3。

表3 各方向大震基底剪力

經分析，大震下的基底剪力與相應小震作用放大約為3.6倍，最大層間位移角小于1/100，滿足規范要求，結構無明顯薄弱層(見圖7)。同時，在靜力推覆作用下，塑性鉸首先出現在連梁，形成較好的耗能機制，有效保護了主體墻肢(見圖8)。后續繼而框架梁剛度退化，內力重分布，然后剪力墻墻肢出現損傷，框架柱端出現塑性鉸，有效的體現了二道防線和延性要求，耗能機制也體現于此。

4 結語

本文對比分析了《高規》與《抗規》對于抗震性能化設計的相同點與不同點，以及針對實際案例通過采用《高規》進行中震不屈服和大震不屈服的性能化分析，結果驗證了結構體系的合理性，主要構件能達到既定的性能目標，最終與小震彈性結果取包絡，對設計有指導意義。