某隔震建筑连廊结构设计与分析

李 林, 王安梅, 周忠发, 张江滔, 陈 诚

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

本工程为宜宾三江新区大健康医疗产业补短板项目-医疗服务中心,位于四川省宜宾市,主要使用功能为门诊、医技、住院及车库,包含综合楼和住院楼,地上建筑面积约38 541m2,地下建筑面积约29 508m2。地下1层,隔震层设置在地下室顶板。其中综合楼房屋高度为23.9m,地上4层,主要层高为6.0、5.4m,平面异形,X向长度为109m、Y向长度为85m,采用钢筋混凝土框架结构;住院楼房屋高度为35.1m,地上8层,主要层高为3.9、4.2m,平面呈矩形,X向长度为27m、Y向长度为105m,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。为保证综合楼与住院楼间的通行,分别在两栋楼的2、4层设置连廊,3、5层为不上人的连廊屋顶。建筑整体效果见图1。

图1 建筑效果图

2 连廊结构布置

本工程设计基准期为50年,设计工作年限为50年,建筑抗震设防类别为重点设防类,结构安全等级为一级;50年一遇基本风压W0=0.30kN/m2,地面粗糙度类别为B类;抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类。依据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)[1]附录E和宜府办函〔2010〕163号文件,将该场地的地震动峰值加速度值提高至0.15g。

连廊楼面建筑标高分别为5.15m和16.55m,高度分别为4.9m和5.2m,侧面桁架结构布置见图2,楼面和屋顶结构平面布置见图3和图4。

图2 连廊侧面桁架结构布置图

图3 连廊楼面结构平面布置图

图4 连廊屋顶结构平面布置图

3 连廊连接方式研究

连廊与塔楼的连接方式可以分为强连接和弱连接[2]。当连接体或连接方式的刚度较弱,无法协调连接体两侧的主体结构共同工作,即为弱连接;当连接体和连接方式的刚度足够,能够将各单体结构连接为整体、协调受力、协同变形,即为强连接[3]。

采用SAUSAGE软件对整体结构进行动力弹塑性分析,对比有无连廊时两侧塔楼的质量、振型和周期,进行连廊连接方式的比选。结构整体模型见图5。

图5 结构整体模型

根据工程特点,连廊与两侧塔楼的对比连接方案有4种。方案1:无连廊;方案2:连廊与综合楼固结连接,与住院楼采用弹性滑板支座连接;方案3:连廊与综合楼、住院楼均采用隔震支座连接;方案4:连廊与综合楼、住院楼均固结连接。

连廊质量为375t,综合楼质量为61 647t,住院楼质量为59 274t,连廊自身质量与综合楼的比值为0.61%,与住院楼的比值为0.63%。

通过各方案的塔楼振型对比可知,方案2和方案3的振型与方案1基本一致,表明这两种连接方案的连廊对塔楼振型影响较小。

不同连接方案的结构周期见表1。通过表1可知,方案4的第3振型为扭转振型,扭转周期比偏大,塔楼及连廊振型耦合在一起,两侧塔楼不对称,高度不一致,结构动力特性差异较大。采用两端滑动或一端滑动的弱连接方案,连廊无法协调连接体两侧的塔楼结构共同工作,对塔楼周期影响较小,塔楼结构振型较为独立。因两侧塔楼均采用隔震结构,结构上部位移较大,综合考虑连廊质量、振型、周期对比分析结果,同时,考虑橡胶支座存在一定的刚度,最终采用连廊与综合楼固结,与住院楼滑动连接的方案(方案2),通过弹性滑板支座自身滑动变形能力,协调消化两侧塔楼之间的相对位移,避免住院楼出现连体结构不规则项[4]。

表1 不同连接方案的结构周期及对比

4 连廊对主体结构的影响

设防地震下,七条地震波时程分析有无连廊时两侧塔楼底部剪力及倾覆力矩平均值见表2。其中,无连廊单体模型分析时,根据有连廊整体模型分析结果,将连廊质量作为附加竖向荷载作用于两侧塔楼。

表2 设防地震下两侧塔楼底部剪力及倾覆力矩对比

罕遇地震下,七条地震波时程分析有无连廊时两侧塔楼底部剪力及倾覆力矩平均值见表3。

表3 罕遇地震下两侧塔楼底部剪力及倾覆力矩对比

由表2和表3可知,在设防地震和罕遇地震作用下,连廊采用一端固结一端滑动的弱连接方案,对塔楼的影响较小,有无连廊对比计算得出两侧塔楼的底部剪力和倾覆力矩基本一样,表明本工程按单体模型进行承载力设计基本可行[5]。

5 连廊支座选型

罕遇地震下,含隔震层的有连廊整体模型和无连廊单体模型的七条地震波时程分析支座位移平均值见表4。其中,有连廊整体模型中弹性滑板支座相对位移为弹性滑板支座在同一时刻上下节点的最大相对位移。

表4 罕遇地震下有无连廊时支座位移对比

依据《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)[6](简称《隔标》)第5.4.1条,选用的滑动支座最大变形量需不小于768mm;综合考虑,选用弹性滑板隔震支座ESB700,弹性滑板支座水平极限位移为1 100mm,设计水平位移限值为0.75×1 100=825mm,满足两侧塔楼的相对变形需求。弹性滑板支座设计力学性能参数见表5。

表5 ESB700弹性滑板支座设计力学性能参数

风荷载作用下,连廊部位的体型系数取2[7],计算所得连廊最大水平剪力标准值为85.4kN,小于总重力的10%,经复核连廊固结端承载力满足要求;重力荷载代表值作用下滑动支座最大压应力为2.6MPa,小于15MPa;罕遇地震下,支座未出现拉应力。连廊滑动端弹性滑板支座及其滑动平台见图6。

图6 弹性滑板支座及滑动平台图

6 隔震层对连廊的影响

罕遇地震下,七条地震波有无隔震层时带连廊整体模型的时程分析支座位移平均值见表6。

表6 罕遇地震下有无隔震层时支座位移对比

通过有无隔震层整体模型对比计算可知,有隔震层时,结构周期较长,塔楼隔震层上部结构层间位移角较小,连廊所受地震作用较小,但支座相对位移较大,故采用相对变形较大的弹性滑板支座来满足位移要求。

7 连廊防落防撞措施

为防止在极端不利情况下,连廊支座位移超过极限位移,并与塔楼结构发生撞击或跌落,采取了以下措施:1)增加滑动端弹性滑板支座滑移面板尺寸,保证上支座在滑移面板内正常工作;2)住院楼结构上与连廊楼面对应位置设置50mm厚橡胶垫,且在连廊楼面端部焊接端板,以增大楼面弦杆与橡胶垫发生碰撞时的接触面积[8];3)连廊桁架端柱上部与主体结构间均设置一道防坠拉索,以加强防落安全储备,作为第二道防线。拉索平时松弛,承载力不小于1 000kN,固定端拉索预留150mm的伸长量,滑动端拉索预留850mm的伸长量,避免拉索过短影响小震、中震、大震下滑动支座的变形。

8 连廊舒适度分析

根据连廊边界条件、实际受力情况简化结构模型后,采用MIDAS Gen计算的第一阶竖向自振模态和横向自振模态见图7和图8。第一阶竖向自振频率为9.49Hz,大于3Hz;第一阶横向自振频率为2.81Hz,大于1.2Hz,满足要求。

图7 第一阶竖向自振模态

图8 第一阶横向自振模态

连廊的建筑功能为通行封闭走廊,依据《建筑楼盖振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019)[9]施加人群竖向荷载和横向荷载[10],相应曲线见图9。人群荷载激励下,连廊节点的竖向加速度和横向加速度时程曲线见图10,最大竖向加速度为0.004m/s2<0.15m/s2,最大横向加速度为0.002m/s2<0.10m/s2,均满足要求。

图9 人群荷载曲线

图10 加速度时程曲线

9 连廊及其相关范围的设计

9.1 性能目标

鉴于隔震建筑间连廊结构的特殊性,根据《隔标》第4.4节及其条文说明,将连廊及其相邻上层以下各层框架柱、剪力墙定义为关键构件,满足中震弹性,大震不屈服的性能目标。

9.2 构件性能水平

两侧塔楼采用旋挖钻孔灌注桩基础,以中风化泥岩为桩端持力层,计算沉降差为6mm,沉降差引起的固定端弦杆附加内力仅27.3N/mm2,对杆件影响较小。结构竖向地震影响系数最大值取水平地震影响系数最大值的65%,控制竖向有效质量系数大于95%。

连廊跨度25.3m,宽度5.4m,长宽比为4.7,长宽比较大,存在一定的边鞘效应。将连廊的水平地震作用效应乘以系数3,再作为水平附加力作用于连廊上。水平附加力标准值为506.3kN,大于水平风荷载,故仅计算水平附加力对固定端支座的影响。考虑水平附加力对固定端支座形成的剪力由楼板承担,形成的力矩由楼面两侧弦杆承担。

经计算,设防地震下,混凝土楼板满足抗剪要求,连廊最大应力比0.51,小于1.0,满足中震弹性的要求;罕遇地震下,连廊最大应力比0.90,小于1.0,仍能保持较好的弹性性能。

有连廊整体模型和无连廊单体模型弹塑性分析结果表明连廊及两侧塔楼相关范围构件均能满足性能目标的要求。罕遇地震作用下,连廊及其相关范围构件的性能水平见图11。由图可知,连廊无损坏,与连廊相连框架柱、剪力墙轻微或轻度损坏,各关键构件均满足性能目标要求。

图11 罕遇地震下连廊及其相关范围构件的性能水平

9.3 综合楼相关范围的加强措施

(1)楼板加厚至180mm,钢筋双层双向通长布置,通长配筋率不小于0.25%。

(2)框架抗震构造措施的抗震等级提高一级。

(3)与连廊相连框架柱箍筋全长加密,按中震弹性,大震不屈服进行包络设计。

9.4 住院楼相关范围的加强措施

(1)剪力墙抗震构造措施的抗震等级提高一级。

(2)与滑动平台相连剪力墙在连廊屋顶标高以下均设置约束边缘构件,按中震弹性,大震不屈服进行包络设计。

(3)与连廊相连滑动平台,按大震弹性设计。

9.5 连廊的加强措施

(1)为提高连廊的竖向刚度、承载力和整体性,楼面及屋顶平面内增加斜向支撑形成平面桁架,并与两侧侧面桁架形成空间桁架结构[11]。平面桁架和侧面桁架横向腹杆间距一样,均在纵向弦杆处刚接连接,形成横向框架,保证连廊屋顶风荷载和地震作用向楼面的有效传递。

(2)局部加长固结端连廊楼面宽度,加高固结端弦杆节点,增强连廊与综合楼的连接,增加平面内的刚度。

(3)采用隔震缝构造处理连廊与住院楼间滑动缝,建筑地面和栏杆构造做法参照《建筑隔震构造详图》(滇20G9-1)中楼面隔震缝构造和过道隔震缝处栏杆扶手构造处理。

(4)两侧桁架腹杆、上弦杆不与综合楼连接,减小固结端的竖向连接刚度,减少对塔楼结构的不利影响。

(5)预留固结端连接节点,待两侧主体结构完工且后浇带封闭后,方可提升安装连廊构件,减少基础沉降和结构变形的不利影响。

10 结论

(1)针对水平位移和体量差异大的隔震建筑连廊的连接特点,进行了3种连接方式的选型分析,最终采用一端固结,一端滑动的弱连接方式来减弱连廊对两侧隔震建筑主体结构的影响,同时避免塔楼出现连体结构不规则项。

(2)设防地震和罕遇地震作用下,连廊对两侧隔震建筑的影响较小,塔楼结构底部剪力和倾覆力矩基本一样,塔楼结构按单体模型进行承载力设计基本可行。

(3)隔震建筑连廊滑动端相对位移较大,宜采用相对变形较大的弹性滑板支座来满足位移要求,减少连廊对两侧塔楼的不利影响。

(4)隔震建筑连廊应重视防落防撞措施和舒适度分析并满足标准要求。