某医院综合楼项目抗震性能化设计的结构分析

李 响

(华东建筑设计研究总院，上海 200002)

1 概述

地震地面运动分为三个水准，即多遇地震(小震)、设防烈度地震(中震)以及预估的罕遇地震(大震)。其中，一般将底部加强区的竖向构件定义为关键构件；在地震来临之际消耗能量的构件归于耗能构件(框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑)，除此之外的竖向构件为普通构件。JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称《高规》)3.14.1中根据宏观判断损坏程度、构件分类和是否有继续使用的可能等三方面，提出了地震作用下构件弹性、不屈服和满足斜截面抗剪承载力三档计算假定，四级结构抗震化性能目标(A，B，C，D)和五个抗震性能水准，来适应结构方案的特殊性。GB 50011—2010建筑抗震设计规范(以下简称《抗规》)附录M也对实现抗震性能设计目标提供了参考方法，但计算假定和性能目标略有区别。

2 规范对性能目标的具体规定

规范中对地震作用参数选取和其他章节的小震相比较，总体来说，剪重比、薄弱层软弱层、0.2V0调整系数均不参与计算，周期折减系数为1.0，中梁刚度放大系数取1.0，风荷载无需参与组合，阻尼比增大幅度不超过0.2，连梁刚度折减系数不低于0.3。《高规》第3.11.3条给出每个性能目标的具体设计要求，一般而言，允许耗能构件先于关键构件和普通构件进入屈服阶段，而且对于各个竖向构件和耗能构件的性能设计，在分别考虑受剪承载力和正截面(抗弯)承载力设计要求(构件符合强剪弱弯的设计要求)的前提下，规定三档设计目标：

1)在设防烈度(中震)地震作用下，满足弹性设计要求：外力分项系数保留，但不考虑与抗震等级调整系数；内力调整考虑抗震承载力调整系数γRE的影响。

2)在设防烈度(中震)地震作用下，满足不屈服设计要求，即不考虑γRE的影响，不考虑荷载分项系数、组合系数等；同时计算内力按照Rk，即材料强度标准值计算，提高了承载力设计值。

3)在允许部分竖向构件及大部分耗能构件进入屈服阶段的同时，应控制构件的抗剪截面满足要求，以避免发生脆性受剪破坏：

《抗规》中附录M有四档设计目标，与《高规》的区别点在于：a.将地震作用下，弹性分析时分为考虑抗震等级相关的地震调整系数与不考虑两种情况，计入和不计入不同抗震等级的内力调整系数，其安全性的高低略有区别；b.地震作用不屈服情况下，抗力按照材料极限强度的最小设计值考虑。

一般而言，中震弹性分析下的计算设计值会比小震大，但中震不屈服目标下的计算值和小震弹性设计相比较，有增大也有减小的因素。一般对于框架结构而言，构件在三、四级抗震等级下，中震作用内力放大约为：抗剪不屈服约为小震1.25倍～2.5倍，抗弯不屈服约为1.25倍～2倍，只有在一级框支柱及二级框架柱构件设计中，考虑风荷载组合的小震计算值与中震不屈服目标下的计算值相当。特殊的，对于特一级框架柱、框支柱以及一级框架柱，中震内力恒小于小震弹性内力。对于框架—剪力墙结构中的剪力墙而言，中震不屈服下的计算值会比小震弹性设计值大幅增加，而在底部加强区以上部位，小震、中震对剪力墙的作用基本相当。

除此之外，《抗规》量化明确了在不同性能目标下，震后变形(弹性、塑性位移)的要求，此不赘述。本文着重论述在中震不屈服及大震性能化设计过程中的操作。

3 工程实例

1)本工程为框架—剪力墙结构，位于上海市杨浦区，综合楼主楼地上16层(不含设备层)，大屋面结构高度72.400 m，与主楼连为整体的裙房部分地上7层(不含夹层)，屋面结构高度35.500。本工程基本抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，Ⅳ类场地，特征周期0.9 s，阻尼比0.05。罕遇地震时，水平地震影响系数最大值0.45(见图1，图2)。

本工程有塔楼偏置、楼板大开洞、位移比超过1.2等超限项，根据《高规》的要求，应做性能化设计。初步确定本工程的抗震性能目标为D级，小震、中震、大震作用下对应的性能水准分别为“1级，4级，5级”，如表1所示。

即关键构件(底部加强区)抗弯抗剪中震不屈服，普通竖向构件抗剪截面满足不屈服，除此之外，允许进入屈服阶段。以首层(塔楼部分)平面布置为例，由于剪力墙及框架柱抗震等级为一级，小震与中震作用下的计算结果如图3～图5所示。

表1 抗震性能设防目标

由此可见，对于框架柱而言，由于小震作用下内力调整放大效果显著，且相对于剪力墙而言刚度偏弱，框架设计结果要比中震不屈服性能目标下的计算值大(角柱尤其明显)。对于剪力墙而言，由于刚度大，地震作用大幅增加，中震作用效力需通过增设型钢(抗)或布置阻尼器或隔震支座(放)来设计。由于结构平面布置、建筑功能限制等原因，能够设置位移型阻尼器的位置很少，故采用加设型钢抵抗地震力作用。此外，通过设置型钢与不设置型钢的两个计算模型相比较可知，采用钢筋与型钢等强度换算的方式设计剪力墙端(暗)柱，结果基本吻合。最终底部加强区按照三个模型取包络设计。同时，由于模型中钢骨的建入，结构整体刚度有小幅度提高(于位移角计算值中体现)。

2)楼、屋面是传递竖向荷载和水平荷载、联系剪力墙和框架柱的重要构件，是水平力作用下协调整体变形和发挥结构空间整体性能的重要组成部分。

本工程裙房部分中庭楼板大开洞，X向有效楼板宽度/相应楼板总宽度=55.1%>50%；Y向有效楼板宽度/相应楼板总宽度=61.9%>50%；开洞面积/本层面积=458.9/3 647=12.6%<30%，所以综合楼楼板连续性满足规范要求。楼板应力分析主要针对连接薄弱和楼板开大洞的区域，通过应力分布图得出楼板受力集中与相对薄弱的部位，为楼板的构造加强提供依据。采用YJK软件对结构进行了三维计算分析，采用弹性板单元模拟楼板，针对L3层和L5层楼板在小震及中震作用进行了研究。在验算楼板的应力时需要根据不同的设计工况采取相应的不同的性能指标，设计性能目标如表2所示。

表2 楼板设计性能目标

其中中震不屈服设计目标为考虑楼板开裂，最大主拉应力由板内受力钢筋来承担，且受力钢筋应力不超过屈服强度。楼板应力分析根据地震反应谱法(CQC)的计算结果，采用地震作用下最不利情况作为楼板应力分析的设计值。楼板在小震及中震工况下的应力分析如图6所示，经分析，除局部角点处的应力集中外，通过增加板厚、双层双向配筋等形式满足地震力的中震设计要求。

3)在大震作用下，《高规》中规定，静力弹塑性分析适用于高度不大于150 m的建筑，本工程大震下的静力推覆分析采用PKPM/EPDA&PUSH作为求解器，进行弹塑性计算。由于本工程立面南侧单侧收进，补充了以南北方向做正、反向的推覆分析。与小震下的基底剪力比较值见表3。

表3 各方向大震基底剪力

经分析，大震下的基底剪力与相应小震作用放大约为3.6倍，最大层间位移角小于1/100，满足规范要求，结构无明显薄弱层(见图7)。同时，在静力推覆作用下，塑性铰首先出现在连梁，形成较好的耗能机制，有效保护了主体墙肢(见图8)。后续继而框架梁刚度退化，内力重分布，然后剪力墙墙肢出现损伤，框架柱端出现塑性铰，有效的体现了二道防线和延性要求，耗能机制也体现于此。

4 结语

本文对比分析了《高规》与《抗规》对于抗震性能化设计的相同点与不同点，以及针对实际案例通过采用《高规》进行中震不屈服和大震不屈服的性能化分析，结果验证了结构体系的合理性，主要构件能达到既定的性能目标，最终与小震弹性结果取包络，对设计有指导意义。