超限高層建筑結構設計探討—以骨科臨床診療中心為例

余驪影，范 進

(1.南京理工大學，江蘇 南京 210094；2.上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

1 項目概況

上海第六人民醫院骨科臨床診療中心項目(效果圖見圖1)總建筑面積68 524 m2，地上15層高度57.2 m，地下3層深度19 m。本工程為扭轉、側向剛度不規則的超限高層裝配式建筑，同時考慮建筑施工功能要求，采用鋼框架+防屈曲波紋鋼板墻+屈曲約束支撐結構體系。

圖1 項目效果圖

2 結構體系選型

診療中心若采用框架結構，位移角雖能滿足規范1/250要求，但是純框架結構缺少二道防線，對乙類建筑來說安全冗余度較小，且地震作用下水平位移較大，會導致兩樓間抗震縫寬度非常大，建筑上難以銜接處理。若采用混凝土核心筒+鋼框架結構，診療中心樓電梯間偏置，利用其構造核心筒導致結構扭轉效應顯著，計算結果也不理想。

故該中心選用鋼框架+防屈曲波紋鋼板墻(NCB)+屈曲約束支撐(BRB)結構體系。小震下，NCB和BRB提供抗側剛度，中震和大震下可耗能，減小鋼框架的地震損傷。NCB與BRB均為防屈曲的消能減震構件，前者優勢在于布置靈活、方便建筑開洞，后者優勢是比較通透。本工程因為建筑布置的原因，同時采用了NCB和BRB兩種消能構件。

3 彈性分析及其主要結果

本工程采用PMSAP和YJK兩種軟件進行多遇地震下彈性分析。水平和豎向地震作用計算采用振型分解反應譜法，考慮重力二階效應，水平地震作用考慮雙向地震以及偶然偏心的影響，且進行彈性時程分析作為補充。為考慮高階振型影響，結構分析采用振型數取15，各階振型貢獻按CQC組合。計算結果顯示，兩軟件考慮扭轉耦聯的前6階自振周期相似，扭轉平動周期比在0.81和0.804，地震下最大層間位移角1/383，位移比1.28，剪重比3.14%，風載下最大層間位移角1/1 052，皆滿足抗規限值。

按照抗規，帶支撐框架結構的抗側剛度可采用剪彎剛度[2]，YJK結果顯示，所有樓層的剪彎剛度和樓層抗剪承載力比也均滿足規范要求，因此，診療中心結構沒有薄弱層與軟弱層，地震層剪力無需放大。分塔后，各層0.2V0調整系數均為1.0，地震層剪力無需放大。小震下鋼框架柱最大應力比為0.71，鋼框架梁最大應力比為0.96，位于梁端，節點設計值梁端加腋可減小應力比。

根據場地周期Tg相近原則選用七組地震波(SHW1、SHW4、RH4TG090、TH1TG090、Kocaeli、Irpinia、Chi-Chi)，加速度時程曲線最大值為35 cm/s2。根據底部剪力的時程分析結果可得，在各相應周期點上，七組時程曲線的地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數相差在5%～15%，七波平均值相差12%，滿足地震波頻譜特性要求[2]。

4 中庭側墻穩定分析

綜合樓和診療中心之間的中庭側墻和頂棚均附著于診療中心布置。頂棚采用變截面鋼梁懸挑，懸挑長度為8～9 m。側墻通高37.2 m，為增加其側向剛度，在每層布置1.5 m寬的水平桁架，并由四角立柱構成一個整體的豎向桁架。豎向桁架頂與頂棚鋼梁連接，作為頂棚鋼結構的豎向支承，頂棚鋼結構也作為豎向桁架的側向支承。豎向桁架面外厚度較小，高度較高，存在整體或局部失穩的可能，故需對側墻鋼結構進行Midas Gen穩定性驗算。

設計中，采用1.0D+1.0L組合進行靜力屈曲分析。中庭側墻的第一階屈曲模態出現在整體結構的第30階模態，如圖2所示，按該屈曲模態賦予整體跨度1/300的初始缺陷，進行幾何非線性穩定分析[4]。以側墻鋼結構中典型節點作為監控位移點，其荷載-位移曲線如圖3所示。結構達到穩定性極限承載力時，結構穩定性極限承載力臨界系數K>5，滿足規范的相關要求。

圖2 第一階屈曲模態 圖3 監測點側向位移-荷載曲線

5 整體模型罕遇地震下結構動力彈塑性時程分析

5.1 分析方法和軟件

本工程的彈塑性分析是基于顯式積分的動力彈塑性分析，采用PERFORM-3D對結構地震作用下的非線性反應進行模擬。梁單元采用端部集中塑性區、中部彈性梁的組合單元，墻、柱單元采用纖維截面。波紋鋼板墻采用Infill Panel,Shear Model進行模擬，雙階屈服屈曲約束支撐采用Inelastic

steel material,Non-Buckling進行模擬。

整個分析分為兩步進行：第一步：“恒+0.5活”加載計算。第二步：地震波時程計算。采取人工波SHW8和天然波SHW10、SHW13，雙向同時輸入，主、次向幅值比為1.0∶0.85。中震地震波的峰值按100 cm/s2；大震地震波的峰值取200 cm/s2。

5.2 總體分析結果

三組地震波作用下基底剪力值約37 661～52 372 kN，大震下時程分析基底剪力與小震下反應譜基底剪力比值約3.4～4.4，說明通過增設NCB和雙階BRB，可有效耗散地震能量，減小結構的地震響應。各組地震波作用下，結構依然處于穩定狀態，整體未出現不可恢復側向變形，雙向層間位移角分布在1/153～1/111，滿足1/100的限值要求。各條波作用下層剪力曲線變化形式基本一致。

5.3 時程曲線

以SHW13為例，圖4為大震下X向基底剪力時程曲線，可以看出，彈塑性分析的基底剪力峰值和頂點位移峰值均比彈性時程的有所減小，表明彈塑性分析中結構有構件進入屈服，減小了結構的剛度和地震力的輸入。圖5為大震下X向頂層位移時程曲線，可以看出，加載前30 s，彈塑性與彈性時程曲線基本重合，30 s后，彈塑性時程曲線逐漸延后于彈性時程曲線，即彈塑性時程曲線晚于彈性時程曲線出現，表明結構的自振周期增大。

5.4 構件損傷和附加阻尼比

以SHW13為例，大震下，大部分梁出現輕度損壞或中度損壞；更多的柱出現輕度損傷，小部分柱出現中度損傷；子結構梁出現輕度損壞或中度損壞，子結構柱個別出現輕度損壞；關鍵構件中，部分梁柱出現輕度損傷。結構梁的塑性損傷重于柱的塑性損傷，滿足強柱弱梁的設計準則。大震下NCB和雙階BRB均可屈服耗能，滯回曲線更加飽滿。通過NCB和雙階BRB耗能，中震下結構X和Y方向最小的附加阻尼比為1.3%和1.0%；大震下結構X和Y方向最小的附加阻尼比為2.5%和2.6%。

6 結 論

上海第六人民醫院骨科大樓臨床門診中心診療中心為扭轉及側向剛度不規則的超限高層建筑。本文通過盈建科和PMSAP振型分解反應譜法和彈性時程分析法對結構多遇地震進行彈性分析，結構體系整體安全合理。中庭側墻非線性穩定分析結果表明結構達到穩定性極限承載力時，結構穩定性極限承載力臨界系數K>5，關鍵性構件安全穩定。波紋鋼板墻和雙階屈服屈曲約束支撐雙耗能形式，為結構提供一定剛度和所需的附加阻尼比。通過彈塑性動力時程分析，驗證罕遇地震下鋼板墻與屈曲約束支撐的增設使得診療中心具有更好的抗震性能，滿足規范關于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

[ID:013170]