杭州某连体高层创伤中心抗震设计

沈捷攀, 朱浩川, 郑晓清, 尹 雄

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概况

某连体高层创伤中心为包括门诊、急诊、医技、住院、保障系统、行政用房以及大型诊疗设备、重点实验室等的功能用房,位于浙江省杭州市,总建筑面积为104 063m2,其中地上建筑面积为66 578 m2,地下为37 485 m2。工程包括3层地下室和采用大底盘裙房+双塔+顶部连体的形式的地上部分。其中,底部5层为裙房,建筑高度为27.950m。左右两座高层双塔地上17层,屋顶高度为86.300m,建筑总高度为98.950m(包括顶部两层构架)。双塔在16～18层通过连廊相连,建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

双塔主楼均采用钢筋(型钢)混凝土柱+混凝土剪力墙结构,结构设计工作年限为50年,建筑结构安全等级为一级,抗震设防类别为重点设防类(乙类),根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016 年版)［1］,建设场地的抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,特征周期Tg=0.45s。上部结构嵌固于地下室顶。

2 结构体系

该项目由底部裙房、左塔、右塔以及连接两塔的跨层连廊组成。底部裙房平面尺寸为119m ×42.5m,屋面高度为27.95m。左右两塔的结构形式均为钢筋混凝土柱+混凝土剪力墙结构,地上共有17层,单塔平面为42.5m×42.5m,主要屋面高度为86.25m,屋顶标高为98.95 m,小于A级130 m高度限制。16～18层为两层通高的钢结构连体,跨度为33 m,宽度为16 m,标高范围在76.650 ～ 86.250 m之间,连接形式采用弱连接。

主体结构采用现浇钢筋混凝框架+现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系,嵌固于地下室顶。地上主体结构剪力墙的抗震等级为二级,框架抗震等级也为二级。加强部位包括体型收进部位上、下各两层塔楼周边竖向构件、底部大厅局部穿层柱的抗震等级为一级,连体钢结构的抗震等级为三级,与连廊相连的框架柱、牛腿在连廊高度范围及其上下层的抗震等级为一级。

该项目属于复杂结构中的连体建筑,双塔通过位于顶部的钢结构跨层连廊形成整体。左、右塔楼高度相同且布置对称,结构动力特性相似,宜采用刚性连接。但本项目左、右塔楼与连接体相连的端跨位置楼板较为薄弱(存在楼板大开洞),不利于地震作用下楼层水平剪力的有效传递,并且建筑专业对连接处构件尺寸提出严格限制。综上,鉴于结构布置特点和建筑专业需求,该项目不具备采用强连接方案的条件。

参考文献[2-8],柔性连接可以很好地解决复杂多塔连体刚性连接时受力不利的问题。因此,本工程采用弱连接的设计方案,即连体部分采用钢桁架体系,并在连体端部上弦、下弦设置铅芯隔震橡胶支座,以确保结构的稳定性和安全性。弱连接在减小连接体相关构件内力和截面尺寸,提高施工效率等方面具有显著优势,原因如下:

(1)弱连接主要起到连廊连接、空间整合和功能衔接的作用,连体与塔楼间的约束程度较低,可有效缓解连接部位的应力集中现象,改善相关构件的受力状况,进而减小构件截面尺寸。

(2)弱连接的支座常采用柔性材料(铅芯橡胶支座),其在地震作用下往复移动,过程中可吸收和消散地震能量,达到减震耗能的作用,进一步减小相关构件内力与截面尺寸。

(3)弱连接的连接构造方式通常比强连接更简单便捷。弱连接部分可以采用预制构件地面拼装、整体抬升的施工组织方式,现场无需搭设高空脚手架,可极大减少施工措施的费用与工期,显著提高施工效率。

整体结构计算模型示意图以及各标准层结构平面布置图见图2～4。

图2 整体结构计算模型示意图

图3 裙房标准层结构平面布置图/m

图4 钢结构连廊结构平面布置图/m

底部框架柱截面采用900×900,内置十字或矩形钢骨,框架柱截面尺寸从上到下逐步过渡到700×700。剪力墙厚度为600～200mm,从下到上逐步过渡截面厚度。竖向构件混凝土强度等级从下到上从C60逐层过渡到C30。楼板厚度110～150mm。

3 结构分析

3.1 结构超限情况和性能目标

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)［9］,本项目的结构具有楼板不连续、尺寸突变(多塔)、构件间断(连体)、局部穿层柱(其他不规则,并入楼板不连续)三项不规则因素,属于超限高层建筑。因此,本项目应进行超限高层建筑结构抗震设防专项审查。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)［10］(简称高规)及本工程的结构特点,抗震性能目标定为性能C,抗震性能目标见表1。

表1 抗震性能目标

3.2 连体对各塔楼的影响分析

为了验证弱连接体对多塔楼动力特性的影响。采用YJK5.1软件对整体模型(带连接体并考虑支座实际参数)与各单体模型分别进行分析计算。计算结果表明,整体模型第1～3阶振型主要为主塔的平动和扭转(图5),第4～5阶振型主要为连廊的平动,第6阶振型为主塔平动,第7～9阶振型为连廊扭转,第10～15阶振型为主楼扭转。在第1～3、6阶振型中,主楼略带连廊振动;第4～5、7～9阶振型中,连廊并未带动主楼一起振动,这表明连廊的存在对塔楼结构动力特性影响较小。此外,还提取了整体计算模型中各单塔(图6)的前三阶振型分量及其对应的周期,并与各单体模型的前三阶振型及周期进行了对比。其中第4、5阶、第7～9阶为连廊振型。表2和表3展示了有连廊(整体模型)和无连廊(单塔模型)情况下主体结构动力特性的对比以及多遇地震下有连廊和无连廊结构层剪力的对比。限于篇幅,表中仅列出左塔计算结果,右塔相似。

表2 有连廊和无连廊主体结构动力特性对比

表3 多遇地震下有连廊和无连廊结构层剪力对比

图5 整体结构振型图

图6 单塔(左塔)结构振型图

根据以上计算结果,可以发现塔楼单体模型的前三阶振型和周期与整体模型对应的各单体前三阶振型和周期较为接近(转动周期差异略大)。通过有连廊模型和无连廊模型的对比,发现两者计算所得层剪力较为接近,差异在±10%以内。有连廊整体模型计算得到的X向层剪力略小于无连廊单塔模型,而计算得到的Y向层剪力略大于无连廊单塔模型。综上,可以得出连接体对于塔楼自身动力特性的影响较小,假设连体结构的弱连接成立。由于带连廊整体模型17层和18层的Y向剪力略大,因此在单体模型分析时需要考虑表3的层剪力放大,并考虑连接体模型的包络。

3.3 结构整体抗震性能分析

3.3.1 小震分析

左塔前三阶周期为2.713s(X向平动)、2.591s(Y向平动)、2.089(扭转),周期比为0.806,表明结构具有足够的抗扭刚度。同时其他控制指标,如结构在风和地震作用下的层间位移角、楼层最大位移比、层间刚度比、剪重比等控制指标均在合理范围内,主体结构的全部构件抗震承载力和层间位移均满足现行规范要求,结构构件处于弹性工作状态。

3.3.2 结构弹性时程分析

根据高规第5.1.13条,需要进行弹性时程补充分析。弹性时程分析中,采用5条天然波和2条人工波进行双向分析。主方向地震加速度按比例1∶0.85输入,最大加速度为18cm/s2。将计算结果与规范反应谱法结果比较,单条波时程分析结果的结构基底剪力大于振型分解反应谱方法计算结果的65%。七条波时程分析结果结构基底剪力平均值大于振型分解反应谱方法计算结果的80%。施工图阶段,将计算结果与规范反应谱分析进行比较,取时程法平均值和反应谱法的包络值作为最终结果。

3.3.3 罕遇地震作下的动力弹塑性分析

采用SAUSAGE2021软件对结构进行了罕遇地震弹塑性时程分析,采用了2组天然波和1组人工波共3组地震波。在弹塑性时程分析中,双向地震波输入,主次双方向地震波峰值比为1∶0.85,主方向地震波峰值为125Gal。结构在各波作用下的弹塑性分析整体计算结果如下:

(1)在各地震波作用下,大震作用下左塔和右塔X向最大顶点位移分别为0.166m和0.167m,侧移角分别为1/305和1/311;Y向最大顶点位移分别为0.177m和0.171m,侧移角分别为1/375和1/302。结构最终仍能保持直立,符合“大震不倒”的设防要求。

(2)当地震波分别以X向、Y向为主向时,结构的弹塑性与弹性底部剪力最小比值分别为0.88和0.84,表明结构具有良好的耗能能力,能够降低承受的地震作用。

(3)选择激励较充分的人工波进行大震弹性和大震弹塑性基底剪力时程曲线对比。结构进入塑性阶段后出现明显的周期增大和反应滞后现象,基底最大剪力明显减小,说明结构大震下通过塑性变形能够有效降低地震响应。

(4)由能量图可知,阻尼耗能占结构总能量比例较大,等效阻尼比最高达到7.1%,表明结构具有良好的耗能能力。主要抗侧力构件没有发生严重破坏,连梁和部分框架梁参与了塑性耗能,结构耗能机制合理,抗震性能良好。根据大震作用下构件的损伤程度判定,剪力墙轻微损坏,框架柱轻度损坏,楼面梁轻度损坏,连体钢结构无损坏,各类构件均能满足既定的大震作用下性能水准目标要求。

4 钢结构连廊关键构件节点分析

本工程的关键构件是连体结构,连接节点上的杆件相交较多,因此节点受力较为复杂。本节将对整个结构中主要受力下弦杆的一个典型节点进行有限元分析。节点设计原则是强节点、弱构件,设计目标是在大震组合工况下不产生屈服。为了实现这一目标,节点内设置加劲板,平衡各向应力,降低应力水平,提高节点承载力。在节点分析中,使用了ABAQUS软件,并采用壳单元S4R来模拟钢材。钢材的弹性模量为206 000MPa,泊松比为0.3,钢材牌号为Q420BGJ(弦杆)、Q355B(腹杆)。具体的强度根据钢材厚度按照规范选取设计值,计算中按理想弹塑性本构关系进行分析。

选取大震作用下基本组合作用的最不利内力工况作为节点荷载,节点内力如图7所示。典型节点在梁左端(U1=U2=U3=UR1=UR3=0)和右端(U1=U2=U3=UR3=0)分别设置约束,以限制节点在这些方向上的移动。为了对该典型节点进行有限元分析,从盈建科软件整体分析中提取杆端内力并对有限元模型施加相应的荷载。经过弹性计算分析,在中震组合工况荷载作用下,典型节点的应力结果如图8、9所示。

图7 大震作用下基本组合作用下节点内力

通过有限元分析发现,在不考虑初始缺陷和焊接残余应力的影响下,大震组合最不利工况下典型节点的最大Mises应力为81.9MPa。这个结果远小于钢材的强度标准值,说明关键节点能够满足大震不屈服的设计要求。

5 连廊支座分析

连廊与主体结构连接采用铅芯橡胶支座LRB500,连廊及支座编号如图10所示。连廊支座与牛腿连接示意大样图如图11所示。

图10 连廊及支座编号图

图11 连廊支座连接示意图

5.1 风荷载作用下支座分析结果

对带连体的整体结构进行风荷载组合工况作用分析,采用弹性计算方法;放大风荷载作用,取风荷载体型系数放大1.25倍。在各荷载工况作用下支座反力如表4所示。

表4 各荷载工况作用下连廊支座反力计算结果/kN

由表4可知,按支座剪切变形100%的等效刚度计算,风荷载作用下连廊各支座最大剪力均小于支座屈服力,表明风荷载作用下铅芯橡胶支座基本处于弹性状态;风荷载作用下支座轴力远小于恒载作用下支座反力,支座未发生受拉情况。

5.2 大震作用下支座分析结果

对带连廊的整体结构进行罕遇地震动力时程分析,ZZA1和ZZA3支座在各地震波作用下最大位移、最大内力如表5所示。

表5 连廊A支座计算结果

5.3 温度作用下支座位移分析

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)［11］,浙江省杭州市的基本气温为-4～38℃,按施工时温度为8～30℃计算,结构的最大升温工况为30℃,最大降温工况为-34℃。钢材的线膨胀系数取1.2×10-5/℃,混凝土线膨胀系数取1.2×10-5/℃,根据连廊跨度和主楼混凝土结构平面尺寸估算得到连廊在温度作用下的两端支座位移如表6所示。

表6 温度作用下连廊支座位移/mm

5.4 小结

对连廊铅芯橡胶支座进行风荷载、温度作用和大震作用下的位移及剪力分析可知,风荷载作用下支座水平剪力小于支座屈服力,支座处于弹性阶段,且未发生受拉情况;罕遇地震作用下支座最大水平位移190.5mm,叠加温度作用下支座的位移并考虑1.2的放大系数,结构设计时采用300mm的间隙能满足要求,支座未发生受拉情况。为避免极端情况下支座因发生超过设计的变形而跌落,支座设计时采取防坠落措施。

6 楼板舒适度分析

6.1 楼板振动模态分析

根据规范要求,楼盖结构应具有适宜的舒适度,楼盖的竖向振动频率不宜小于3Hz。采用MIDAS Gen软件,通过有限元计算分析连廊楼板的自振频率,使用迭代Ritz向量法得到连廊楼板的竖向自振模态与频率。连廊前两阶振动模态如图12、13所示。连廊楼盖的一阶自振频率为4.158Hz,大于3Hz,满足规范要求。

图12 连廊楼盖一阶模态(4.158Hz)

图13 连廊楼盖二阶模态(4.662Hz)

6.2 楼板竖向振动加速度验算

根据《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019)［12］(简称舒适度标准)规定,采用时程分析法计算行人激励下连廊的竖向振动加速度。连廊为封闭式连廊,根据舒适度标准第9章规定,仅需进行竖向振动舒适度设计。采用钢-混凝土组合楼盖,阻尼比取0.01。连廊舒适度验算时活荷载为0.5 kN/m2,人群竖向激励荷载按照舒适度标准的相关规定进行计算。根据连廊的自振频率计算结果,选取对楼盖舒适度影响显著的行走激励荷载频率(2.079Hz和4.158Hz))进行分析。采用弹性板,将激励按照等效面荷载施加于连廊楼板上,选取加速度最大点绘制不同时程曲线,结果如图14所示。经分析得知,连廊楼盖的最大加速度为0.096 1m/s2,小于舒适度标准规定的封闭连廊的竖向峰值加速度限值0.15 m/s2,符合舒适度要求。

图14 连廊加速度时程曲线

7 抗震加强措施

根据计算结果,并结合本工程的实际情况,在施工图设计阶段,提出以下加强措施:1)钢结构连接体及与连接体相连的结构构件在连体高度及上、下层范围,应提高一级采取抗震措施;2)塔楼收进部位上、下各2层塔楼周边竖向结构构件,提高一级采取抗震措施;3)底部加强区范围延伸至裙房以上一层;4)塔楼收进部位楼板加厚,加强配筋,双层双向配筋率不小于0.25%;5)加强楼板在大开洞周边区域配筋,按中震作用下楼板应力控制楼板配筋;6)对楼板大开洞造成的局部穿层柱,抗震等级提高一级,适当加强配筋,且配筋不小于相邻不跃层框架柱。

8 结语

通过对单塔和连体结构整体分析表明,连接体对塔楼动力特性影响较小。为了实现结构的弱连接,工程采用了在连廊两端设置铅芯橡胶支座的方式。多软件计算分析结果显示,采取有效措施后,该结构整体能达到抗震设计目标“C”,符合“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求,设计是安全的。另外,空中连廊的振动对人的心理影响较大,需要采用多种加载方式进行舒适度验算。