新型高强混凝土组合柱抗震性能设计分析

邹德宏

（浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江宁波315000）

1 引言

宁波市第一医院原地扩建暨国际医疗保健中心，地上23 层，建筑面积为43 350m2，地下3 层，建筑面积为11 916m2，建筑总高度为84m。本工程建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50 年，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05g，抗震设防类别为重点设防类，建筑场地为4 类。

2 结构抗震性能水平和目标

2.1 地震设防水准

地震设防水准决定了结构的抗震能力。所以在进行地震设防水准设置时，需要考虑预期内的设防目标。受多种因素影响，目前国内外的地震设防水准差异性较大。我国颁布的《中国地震动参数区划图》以50 年为基准期，将基准期内超越概率63%的地震称为小震，重复期为50 年；超越概率10%的地震称为中震，重复期为475 年；超越概率2.5%的地震称为大震，重复期为2 000 年。重复期RP 的计算公式如下：

式中，RP 为重复期限；P为T年内烈度超过给定烈度的超越概率；T为设计基准期。

2.2 性能水平

建筑工程的抗震能力与结构构件质量有关，建筑工程内部设计时需要考虑的某一地震作用水准下预期达到的破坏程度。我国建筑结构性能分为正常使用、暂停使用、修复后使用、生命安全、防止倒塌5 个等级，所对应的破坏程度分别为完好、轻微破坏、中度破坏、不严重破坏、严重破坏。

2.3 性能目标

结构性能研究的是不同地震水准预期损坏状况或使用功能。我国现行抗震规范要求建筑物主体结构性能的基本设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。不同类别建筑物其对应的性能目标不同。比甲类建筑更重要的建筑采用的是最高性能目标，即要求建筑物结构构件即使在预期罕见地震下也可以基本保持弹性状态；甲类建筑物采用的是较高目标，即要求建筑构件在设防地震下可以保持完好；乙类建筑物为中等性能目标，要求建筑物在设防地震下有轻微的塑性变形；对于丙类建筑物其性能目标为基本目标，要求在设防地震下损坏大于性能，遇到罕见地震处于倒塌边缘。

3 工程项目抗震性能设计

该项目为新建手术及病房中心，在抗震救灾中具有保障生命线的重要作用。为了确保在震灾中能承担起救灾医疗任务的使命，要求该建筑当遭受低于抗震设防烈度6 度影响时，主体结构不受损坏或不需要修复可继续使用；当遭受相当于6 度设防烈度地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于6 度设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。也即“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计目标。

4 工程项目抗震性能设计

工程项目抗震性能设计包括：

1）中央核心筒在各方向上具有较大的抗侧刚度，是结构的主要抗侧力构件，在多遇地震作用下，结构整体处于弹性状态，核心筒承受大部分地震剪力，达到总剪力的X向77.6%，Y向78.6%。经弹塑性静力分析，在罕遇地震作用下，筒体开裂，并先于框架屈服，其抗侧刚度降低，所承担的剪力比例有所减小。因此在设计中，采取适当加大外框架柱的配筋，以充分发挥框架-核心筒的多道抗震防线。

2）在罕遇地震作用下核心筒屈服程度过大，对结构整体变形和抗震极为不利，应尽量避免核心筒过早屈服。因此，在设计中将各子筒间的连梁作为次要构件，截面高度尽量控制在350～600mm。通过强墙弱梁、强剪弱弯等措施使连梁刚度及受弯承载力都远小于墙肢或子筒，具有足够的延性。

3）根据有关实验研究和地震灾害分析，在地震作用下，竖向内收的建筑容易产生扭转变形，引起竖向构件的弯矩和剪力产生较大的突变[1]。同时，裙房顶板与塔楼连接处楼板出现较大的拉应力，地震时也容易产生破坏，为此在设计中，对于水平构件，加厚此处楼板的板厚至120～150mm，并配置上下双向通长钢筋，加大板配筋率至0.7%～0.8%。对于竖向构件，确保框架柱有足够的截面尺寸，轴压比控制在0.6～0.7，甚至更小。

4）使用新型高强混凝土组合柱。本项目中所使用的新型高强混凝土组合柱采用的是混凝土截面中配置钢管的增强措施，以此来优化高强混凝土的塑性变形能力。内配钢管高强混凝土组合柱的设计如下：（1）设计纵筋和箍筋作为外层保护层，提升混凝土间的融合度，将管材与外界隔离，提高高强混凝土组合柱的耐久性；（2）在高强混凝土截面内置管材时，融合外箍筋构成双重约束，这样箍筋密度变宽，构件延展性增强，结构柱因混凝土纵筋屈曲性结构规避其倒塌的可能。

5 混凝土结构性能水平判别

5.1 框架柱性能水平分析

控制结构受地震破坏程度，结构受地震设防水准性能水平的影响，通过结构破坏状态参数来表达：力、变形和曲率等。试验结果显示，新建手术房及病房中心混凝土结构层间构建的变形情况与层高的影响可以通过层间位移角来体现，与结构破坏状态之间有很强的显著相关性。我国现行抗震规范对混凝土框架结构不同破坏程度下的层间位移角控制参考目标值进行了确定，如抗震设防烈度为8 度时混凝土强度等级不应高于C70。但在实际工程中，混凝土的强度等级经常会超出参考值。

载荷试验发现，在剪跨度比不断增大时，新建手术房及病房中心混凝土结构的内配钢管约束高强混凝土柱出现剪切斜压破坏、剪切黏结破坏、弯曲破坏3 种破坏形态。其中，剪切黏结破坏为脆性破坏，对混凝土柱抗震性能影响较大，因此，可通过设置抗剪件等方式来解决上述问题。本文仅考虑剪切斜压破坏与弯曲破坏。当构件发生上述2 种破坏时，混凝土被压碎脱落，停止工作，截面内力转由钢骨承担。因钢材是具有塑性延展性的材料，钢骨高强混凝土柱承载力发生适应性变化，使得延展性增强，此时，失效判别标准研究必须考虑上述因素。

5.2 框架结构性能水平分析

在新建手术房及病房中心的混凝土框架结构中，竖向构件需要考虑弹性及弹塑性变形限值的取值问题；构件达到承载力顶端时，发生的变形小于中等破坏；轻微损坏变形限值只及中等破坏时变形限值的一半；轻微破坏变形限值，会影响弹塑性变形限值。因此，要想提高混凝土强度等级，可采用截面配置塑性优良的钢骨，而抗震规范对变形限值的规定与高强混凝土结构的关联度不高，因此，根据试验结果，考虑是否对框架结构的钢骨塑性进行调整。根据柱层间位移角容许限值来确定框架结构层级的层间位移角限值，还应融入框架变形、非结构对结构的功能安全及舒适度等方面的影响，全面考虑取值问题。

6 结语

本项目结构设计除满足相关规范的要求外，更加重视结构的抗震性能化设计，通过弹塑性静力分析，有目的地引导作为主要抗侧力体系的核心筒的屈服机制和破坏模式，对外框架进行合理的设计，使其具有足够的承载力和延性，从而形成多道有效的抗震防线，合理的破坏模式，提高整体结构的抗震性能，确保该建筑在震灾中能承担起救灾医疗任务的使命，对类似的防灾救灾建筑的结构抗震设计有借鉴意义。