某中医院综合楼超限结构设计

张兆超，韩振林，董传磊

(山东省建筑设计研究院有限公司，山东 济南 250001)

1 工程概况

本工程为山东中医药大学附属医院西院区综合楼建设项目，位于济南市历下区，由高层主楼和多层裙房组成。项目整体规划，分期建设，本文介绍一期部分。该一期项目总建筑面积109 987.11 m2，其中地上建筑面积75 656.16 m2，地下建筑面积34 330.95 m2。本工程地下部分为3层，地上部分由5层裙房(门诊医技)和15层主楼(病房)两部分组成。首层室内外高差为0.30 m，地下3层～地下1层层高分别为4.1 m,4.1 m,4.8 m，地上1层层高为6.00 m，2层～5层层高为4.50 m，6层及以上层高为3.90 m，结构高度为66.30 m(裙房结构高度为24.60 m)，结构平面尺寸为102.55 m(东西)×163.20 m(南北)。

本工程地上、地下部分均不设变形缝，整个工程连为一体，地下1层顶板为上部结构的嵌固部位。建筑效果图见图1。

工程结构设计使用年限为50 a，结构设计安全等级为一级，结构重要性系数γ0=1.1。地基基础的设计等级为甲级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震作用按0.15g计算，抗震等级按8度。设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，规范反应谱特征周期为Tg=0.45 s。计算地震作用时，采用GB 50011—2010建筑抗震设计规范[1]第5.1.5条提供的地震影响系数曲线，多遇地震作用下的水平地震影响系数最大值为0.12，基本地震作用下的水平地震影响系数最大值为0.34，罕遇地震作用下的水平地震影响系数最大值为0.72。结构阻尼比为0.05。弹性时程分析时输入地震加速度的最大值为55 cm/s2。基本风压应按50 a重现期的风压值采用，基本风压值w0=0.45 kN/m2，承载力设计时取基本风压的1.1倍，地面粗糙度类别按B类。

2 基础设计

根据场地岩土工程勘察报告，基础持力层为④层闪长岩残积土，承载力特征值为380 kPa，天然地基满足结构荷载要求，主楼及裙房均采用筏板基础，其中主楼筏板厚度为1 700 mm、裙房及地下车库筏板厚度为1 200 mm。

由于场区地下水位较高，自筏板底算起的抗浮水头为13.0 m，纯地下室及门诊大厅无上部结构的部分采用抗浮锚杆。锚杆直径250 mm，有效长度按10 m，单根锚杆抗拔承载力特征值为210 kN，间距为1.6 m。

3 结构体系与布置

结构形式为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，利用楼电梯间形成的交通核心设置剪力墙，同时考虑结构体型及框-剪结构的剪力墙布置要求，在适当位置设置剪力墙，形成具有多道抗震防线的钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，保证了整个建筑物的抗震性能。根据性能化设计的要求，部分剪力墙墙肢较厚，混凝土剪力墙的厚度最厚为550 mm、最薄为250 mm；剪力墙混凝土强度等级自下部的C60变化至上部的C40。框架柱则是自下而上混凝土强度等级由C60到C40均匀变化，并且与截面的缩小分层进行，以保证结构自下而上刚度的均匀变化。梁板混凝土强度等级为C30。剪力墙的抗震等级为一级，框架的抗震等级为一级(体型收进部位周边柱提高至特一级)。主楼的楼盖采用主次梁体系，各楼层的楼板均采用现浇钢筋混凝土楼板，板厚一般为120 mm，在部分特殊部位的楼板进行了加厚、加强处理。标准层结构平面示意图见图2。

4 结构超限类别和要求

主楼的结构高度均为66.300 m，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]中A级高度钢筋混凝土高层建筑关于高度方面的有关规定，高度不超限。

本工程非大跨结构，也不存在转换层、加强层、错层、连体等复杂高层情况。但是，本工程存在扭转不规则、楼板局部不连续、体型收进，以及局部穿层柱，达到三项不规则情况，为抗震超限高层结构[3]。此外，底部裙房的平面尺寸东西为102.55 m、南北为163.20 m，结构超长，需考虑楼板的温度应力及中震和大震下的楼板应力。

5 计算分析

5.1 小震弹性反应谱分析

小震弹性反应谱整体分析采用YJK和Midas building软件，两个软件的计算结果进行比较，确保整体模型计算的可靠性。仅考虑水平地震作用，不考虑竖向地震作用。地震作用计算时采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解方法，并考虑偶然偏心和双向地震的影响。混凝土容重为26 kN/m3，连梁刚度折减系数为0.6，中梁刚度增大系数为2.0，框架梁梁端负弯矩调幅系数为0.85，梁内力增大系数为1.0，梁扭矩折减系数为0.4，周期折减系数采用0.80，地震和风荷载计算考虑最不利作用方向，上部结构的嵌固部位为地下室顶板。两种软件的三维计算模型如图3所示。

分析结果显示，计算结果均差别不大，各项指标满足规范要求。计算振型数为15个，其中前10阶振型见表1，可以看出，两种软件计算的结构主要周期差别不大，可以采信；结构周期比Tt/T1，YJK计算为0.83，Midas计算为0.86，均满足A级高度高层建筑限值0.90的规定。

表1 模态分析主要计算结果

图4～图7给出两种软件计算的地震下的位移及位移角对比，结果显示，两种计算软件的计算结果基本一致，各项指标均满足规范要求。

5.2 小震弹性时程计算分析

地震波采用两组实际强震记录天然波1 Big Bear-01_NO_907,Tg(0.43)、天然波2 Coalinga-01_NO_364,Tg(0.44)和一组人工模拟地震波人工波1 ArtWave-RH2TG045,Tg(0.45)，输入YJK软件进行弹性时程分析。所采用3组地震加速度时程曲线均满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间。分析结果见表2。

表2 小震弹性时程分析的主要结果及与反应谱法的对比

从表2中可以看出，时程分析时，每条时程曲线计算所得X向、Y向的结构底部最小剪力均分别大于振型分解反应谱法结果的65%；3条时程曲线计算所得X向、Y向的结构底部剪力的平均值均大于相应振型分解反应谱法结果的80%，所选地震波满足规范要求。

3组地震波作用下，楼层位移角均小于反应谱法的计算结果；3组地震波作用楼层地震剪力的包络值在结构大部分楼层均小于规范反应谱法的计算结果，说明在这些楼层规范反应谱法的计算结果可以满足设计要求，但少部分楼层出现了3组波的包络反应值大于反应谱法计算结果的情况，需要对反应谱法的计算结果进行特殊处理。具体处理办法是在结构整体配筋计算时，采用在YJK软件中将此类楼层的地震剪力乘以放大系数的方法予以解决，此放大系数为各楼层3组波的包络地震剪力与规范反应谱法计算结果的比值。

5.3 性能化设计

为保证结构的安全，需要提高重要结构构件的安全度水平。底部加强区剪力墙和框架柱为主要竖向抗侧力构件，对于保证整体结构的刚度和承载力起着关键作用，为此，结构构件的抗震性能目标底部加强区(裙房以上一层)取C级、底部加强区以上取D级。对于底部加强区剪力墙和框架柱按中震抗弯不屈服、抗剪弹性和大震抗剪不屈服包络设计；对于跃层柱按中震抗弯、抗剪弹性和大震抗弯、抗剪不屈服包络设计；非底部加强区剪力墙和框架柱按中震抗弯、抗剪不屈服设计。

采用YJK软件按等效弹性振型分解反应谱法进行计算。

计算结果表明，关键构件在中震弹性工况下未出现抗剪超筋信息，在中震不屈服工况下未出现抗弯超筋信息；同时，关键构件的最大剪力与截面抗剪承载力之比均不大于1.0，说明各关键构件满足本工程设定的抗震性能目标要求。此外，普通竖向构件及耗能构件均满足本工程的既定设计目标，结构安全可靠。

本工程所建场地抗震设防烈度较高，部分剪力墙墙肢在地震作用下所受拉力较大，需要对其进行双向地震作用下的偏拉验算。根据分析结果可知，一层墙肢拉力较大，部分受拉墙肢的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值，因此，在对应受拉墙肢超1.0的边缘构件内设置型钢，型钢承担拉应力,同时对应该区域墙肢的抗震构造措施提高至特一级。二层仅个别墙肢拉应力平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值，处理措施同一层墙肢。

5.4 大震弹塑性时程分析

利用SAUSAGE软件对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，选取罕遇地震水准下的两组天然波和一组人工波，根据规范规定，将地震波加速度峰值调整为310 cm/s。

图8，图9为各地震波作用下结构的最大层间位移角曲线，可以看出，最大层间弹塑性位移角均小于规范规定的1/100，满足大震不倒的设防要求。

三条地震波下剪力墙和连梁的性能分布状态显示，剪力墙未出现轻度的混凝土受压损伤，钢筋的塑性应变基本小于3.5倍的钢筋屈服应变，可判断底部剪力墙大部分处于轻度损坏的状态。剪力墙连梁出现较为严重的受压损伤，大部分处于重度损伤的状态，说明剪力墙连梁在地震作用下首先屈服，很好的起到了耗能作用。图10为天然波1,2剪力墙及连梁混凝土性能状态分布图。另外，底部框架柱在大震作用下出现较小的损伤，处于轻微损伤状态。框架梁在大震作用下出现较大的损伤，处于轻度～中度损坏状态，起到了一定的耗散地震能量的作用；框架梁柱在剪力墙筒体刚度退化后起到了一定的抗侧力作用，发挥了其作为二道防线的作用。

5.5 抗震构造主要加强措施

针对本工程的具体特点与结构超限情况，在设计中主要采取以下技术措施：

1)按规范要求从严控制底部加强区的剪力墙及框架柱的轴压比，并适当加大底部加强区范围剪力墙的构造配筋率，适当加大穿层框架柱的配筋率和配箍率，并全高加密箍筋。

2)门诊大厅上空各层楼板开洞，将洞口周边楼板厚度加厚为150 mm，配筋计算时将该层楼板设为弹性板进行结构整体计算，楼板配筋采用通长配筋并适当加大配筋率(板配筋率不小于0.25%)处理，并按中震及大震下的楼板应力分析结果进行配筋加强。

3)主裙楼之间在裙房屋面以上存在体型收进，收进位置较高，结构刚度的突然降低使其形成薄弱部位，对结构抗震不利。设计时，控制收进处底部楼层层间位移角不大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍；体型收进部位上下各2层周边框架柱的抗震等级提高为特一级，并加强其配筋构造措施；特一级框架柱设置芯柱；此层突变部位及上下层楼板加厚为150 mm，双层双向配筋，控制配筋率不小于0.30%，此层上下层结构的楼板也相应加强构造措施，并按中震及大震下楼板应力分析结果加强楼板配筋；底部加强区延伸至裙房顶上一层；将中部高层病房按单塔楼模型进行补充计算，并在施工图设计时与整体模型计算结果进行包络设计。

6 结语

针对本工程的特点和结构超限情况，采用两种软件进行了比较分析，对多遇地震作用下进行了弹性时程的补充计算分析，按性能化设计的方法对结构进行中、大震的性能化设计，并对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，各项结果表明结构整体指标良好，均能满足规范的各种要求。在特殊部位均进行了计算或构造加强处理，以确保结构的整体性能和抗震目标的实现。