新型高強混凝土組合柱抗震性能設計分析

鄒德宏

（浙江華展工程研究設計院有限公司，浙江寧波315000）

1 引言

寧波市第一醫院原地擴建暨國際醫療保健中心，地上23 層，建筑面積為43 350m2，地下3 層，建筑面積為11 916m2，建筑總高度為84m。本工程建筑結構安全等級為二級，設計使用年限為50 年，抗震設防烈度為6 度，設計基本地震加速度值為0.05g，抗震設防類別為重點設防類，建筑場地為4 類。

2 結構抗震性能水平和目標

2.1 地震設防水準

地震設防水準決定了結構的抗震能力。所以在進行地震設防水準設置時，需要考慮預期內的設防目標。受多種因素影響，目前國內外的地震設防水準差異性較大。我國頒布的《中國地震動參數區劃圖》以50 年為基準期，將基準期內超越概率63%的地震稱為小震，重復期為50 年；超越概率10%的地震稱為中震，重復期為475 年；超越概率2.5%的地震稱為大震，重復期為2 000 年。重復期RP 的計算公式如下：

式中，RP 為重復期限；P為T年內烈度超過給定烈度的超越概率；T為設計基準期。

2.2 性能水平

建筑工程的抗震能力與結構構件質量有關，建筑工程內部設計時需要考慮的某一地震作用水準下預期達到的破壞程度。我國建筑結構性能分為正常使用、暫停使用、修復后使用、生命安全、防止倒塌5 個等級，所對應的破壞程度分別為完好、輕微破壞、中度破壞、不嚴重破壞、嚴重破壞。

2.3 性能目標

結構性能研究的是不同地震水準預期損壞狀況或使用功能。我國現行抗震規范要求建筑物主體結構性能的基本設防目標為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。不同類別建筑物其對應的性能目標不同。比甲類建筑更重要的建筑采用的是最高性能目標，即要求建筑物結構構件即使在預期罕見地震下也可以基本保持彈性狀態；甲類建筑物采用的是較高目標，即要求建筑構件在設防地震下可以保持完好；乙類建筑物為中等性能目標，要求建筑物在設防地震下有輕微的塑性變形；對于丙類建筑物其性能目標為基本目標，要求在設防地震下損壞大于性能，遇到罕見地震處于倒塌邊緣。

3 工程項目抗震性能設計

該項目為新建手術及病房中心，在抗震救災中具有保障生命線的重要作用。為了確保在震災中能承擔起救災醫療任務的使命，要求該建筑當遭受低于抗震設防烈度6 度影響時，主體結構不受損壞或不需要修復可繼續使用；當遭受相當于6 度設防烈度地震影響時，可能發生損壞，但經一般性修理仍可繼續使用；當遭受高于6 度設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。也即“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計目標。

4 工程項目抗震性能設計

工程項目抗震性能設計包括：

1）中央核心筒在各方向上具有較大的抗側剛度，是結構的主要抗側力構件，在多遇地震作用下，結構整體處于彈性狀態，核心筒承受大部分地震剪力，達到總剪力的X向77.6%，Y向78.6%。經彈塑性靜力分析，在罕遇地震作用下，筒體開裂，并先于框架屈服，其抗側剛度降低，所承擔的剪力比例有所減小。因此在設計中，采取適當加大外框架柱的配筋，以充分發揮框架-核心筒的多道抗震防線。

2）在罕遇地震作用下核心筒屈服程度過大，對結構整體變形和抗震極為不利，應盡量避免核心筒過早屈服。因此，在設計中將各子筒間的連梁作為次要構件，截面高度盡量控制在350～600mm。通過強墻弱梁、強剪弱彎等措施使連梁剛度及受彎承載力都遠小于墻肢或子筒，具有足夠的延性。

3）根據有關實驗研究和地震災害分析，在地震作用下，豎向內收的建筑容易產生扭轉變形，引起豎向構件的彎矩和剪力產生較大的突變[1]。同時，裙房頂板與塔樓連接處樓板出現較大的拉應力，地震時也容易產生破壞，為此在設計中，對于水平構件，加厚此處樓板的板厚至120～150mm，并配置上下雙向通長鋼筋，加大板配筋率至0.7%～0.8%。對于豎向構件，確保框架柱有足夠的截面尺寸，軸壓比控制在0.6～0.7，甚至更小。

4）使用新型高強混凝土組合柱。本項目中所使用的新型高強混凝土組合柱采用的是混凝土截面中配置鋼管的增強措施，以此來優化高強混凝土的塑性變形能力。內配鋼管高強混凝土組合柱的設計如下：（1）設計縱筋和箍筋作為外層保護層，提升混凝土間的融合度，將管材與外界隔離，提高高強混凝土組合柱的耐久性；（2）在高強混凝土截面內置管材時，融合外箍筋構成雙重約束，這樣箍筋密度變寬，構件延展性增強，結構柱因混凝土縱筋屈曲性結構規避其倒塌的可能。

5 混凝土結構性能水平判別

5.1 框架柱性能水平分析

控制結構受地震破壞程度，結構受地震設防水準性能水平的影響，通過結構破壞狀態參數來表達：力、變形和曲率等。試驗結果顯示，新建手術房及病房中心混凝土結構層間構建的變形情況與層高的影響可以通過層間位移角來體現，與結構破壞狀態之間有很強的顯著相關性。我國現行抗震規范對混凝土框架結構不同破壞程度下的層間位移角控制參考目標值進行了確定，如抗震設防烈度為8 度時混凝土強度等級不應高于C70。但在實際工程中，混凝土的強度等級經常會超出參考值。

載荷試驗發現，在剪跨度比不斷增大時，新建手術房及病房中心混凝土結構的內配鋼管約束高強混凝土柱出現剪切斜壓破壞、剪切黏結破壞、彎曲破壞3 種破壞形態。其中，剪切黏結破壞為脆性破壞，對混凝土柱抗震性能影響較大，因此，可通過設置抗剪件等方式來解決上述問題。本文僅考慮剪切斜壓破壞與彎曲破壞。當構件發生上述2 種破壞時，混凝土被壓碎脫落，停止工作，截面內力轉由鋼骨承擔。因鋼材是具有塑性延展性的材料，鋼骨高強混凝土柱承載力發生適應性變化，使得延展性增強，此時，失效判別標準研究必須考慮上述因素。

5.2 框架結構性能水平分析

在新建手術房及病房中心的混凝土框架結構中，豎向構件需要考慮彈性及彈塑性變形限值的取值問題；構件達到承載力頂端時，發生的變形小于中等破壞；輕微損壞變形限值只及中等破壞時變形限值的一半；輕微破壞變形限值，會影響彈塑性變形限值。因此，要想提高混凝土強度等級，可采用截面配置塑性優良的鋼骨，而抗震規范對變形限值的規定與高強混凝土結構的關聯度不高，因此，根據試驗結果，考慮是否對框架結構的鋼骨塑性進行調整。根據柱層間位移角容許限值來確定框架結構層級的層間位移角限值，還應融入框架變形、非結構對結構的功能安全及舒適度等方面的影響，全面考慮取值問題。

6 結語

本項目結構設計除滿足相關規范的要求外，更加重視結構的抗震性能化設計，通過彈塑性靜力分析，有目的地引導作為主要抗側力體系的核心筒的屈服機制和破壞模式，對外框架進行合理的設計，使其具有足夠的承載力和延性，從而形成多道有效的抗震防線，合理的破壞模式，提高整體結構的抗震性能，確保該建筑在震災中能承擔起救災醫療任務的使命，對類似的防災救災建筑的結構抗震設計有借鑒意義。