沈捷攀, 朱浩川, 鄭曉清, 尹 雄

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概況

某連體高層創(chuàng)傷中心為包括門診、急診、醫(yī)技、住院、保障系統(tǒng)、行政用房以及大型診療設(shè)備、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的功能用房,位于浙江省杭州市,總建筑面積為104 063m2,其中地上建筑面積為66 578 m2,地下為37 485 m2。工程包括3層地下室和采用大底盤裙房+雙塔+頂部連體的形式的地上部分。其中,底部5層為裙房,建筑高度為27.950m。左右兩座高層雙塔地上17層,屋頂高度為86.300m,建筑總高度為98.950m(包括頂部?jī)蓪訕?gòu)架)。雙塔在16～18層通過連廊相連,建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

雙塔主樓均采用鋼筋(型鋼)混凝土柱+混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類),根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016 年版)［1］,建設(shè)場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅲ類,特征周期Tg=0.45s。上部結(jié)構(gòu)嵌固于地下室頂。

2 結(jié)構(gòu)體系

該項(xiàng)目由底部裙房、左塔、右塔以及連接兩塔的跨層連廊組成。底部裙房平面尺寸為119m ×42.5m,屋面高度為27.95m。左右兩塔的結(jié)構(gòu)形式均為鋼筋混凝土柱+混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),地上共有17層,單塔平面為42.5m×42.5m,主要屋面高度為86.25m,屋頂標(biāo)高為98.95 m,小于A級(jí)130 m高度限制。16～18層為兩層通高的鋼結(jié)構(gòu)連體,跨度為33 m,寬度為16 m,標(biāo)高范圍在76.650 ～ 86.250 m之間,連接形式采用弱連接。

主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝框架+現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系,嵌固于地下室頂。地上主體結(jié)構(gòu)剪力墻的抗震等級(jí)為二級(jí),框架抗震等級(jí)也為二級(jí)。加強(qiáng)部位包括體型收進(jìn)部位上、下各兩層塔樓周邊豎向構(gòu)件、底部大廳局部穿層柱的抗震等級(jí)為一級(jí),連體鋼結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)為三級(jí),與連廊相連的框架柱、牛腿在連廊高度范圍及其上下層的抗震等級(jí)為一級(jí)。

該項(xiàng)目屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的連體建筑,雙塔通過位于頂部的鋼結(jié)構(gòu)跨層連廊形成整體。左、右塔樓高度相同且布置對(duì)稱,結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相似,宜采用剛性連接。但本項(xiàng)目左、右塔樓與連接體相連的端跨位置樓板較為薄弱(存在樓板大開洞),不利于地震作用下樓層水平剪力的有效傳遞,并且建筑專業(yè)對(duì)連接處構(gòu)件尺寸提出嚴(yán)格限制。綜上,鑒于結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)和建筑專業(yè)需求,該項(xiàng)目不具備采用強(qiáng)連接方案的條件。

參考文獻(xiàn)[2-8],柔性連接可以很好地解決復(fù)雜多塔連體剛性連接時(shí)受力不利的問題。因此,本工程采用弱連接的設(shè)計(jì)方案,即連體部分采用鋼桁架體系,并在連體端部上弦、下弦設(shè)置鉛芯隔震橡膠支座,以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。弱連接在減小連接體相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力和截面尺寸,提高施工效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì),原因如下:

(1)弱連接主要起到連廊連接、空間整合和功能銜接的作用,連體與塔樓間的約束程度較低,可有效緩解連接部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象,改善相關(guān)構(gòu)件的受力狀況,進(jìn)而減小構(gòu)件截面尺寸。

(2)弱連接的支座常采用柔性材料(鉛芯橡膠支座),其在地震作用下往復(fù)移動(dòng),過程中可吸收和消散地震能量,達(dá)到減震耗能的作用,進(jìn)一步減小相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力與截面尺寸。

(3)弱連接的連接構(gòu)造方式通常比強(qiáng)連接更簡(jiǎn)單便捷。弱連接部分可以采用預(yù)制構(gòu)件地面拼裝、整體抬升的施工組織方式,現(xiàn)場(chǎng)無需搭設(shè)高空腳手架,可極大減少施工措施的費(fèi)用與工期,顯著提高施工效率。

整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖以及各標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2～4。

圖2 整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖

圖3 裙房標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖/m

圖4 鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)平面布置圖/m

底部框架柱截面采用900×900,內(nèi)置十字或矩形鋼骨,框架柱截面尺寸從上到下逐步過渡到700×700。剪力墻厚度為600～200mm,從下到上逐步過渡截面厚度。豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)從下到上從C60逐層過渡到C30。樓板厚度110～150mm。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況和性能目標(biāo)

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))［9］,本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)具有樓板不連續(xù)、尺寸突變(多塔)、構(gòu)件間斷(連體)、局部穿層柱(其他不規(guī)則,并入樓板不連續(xù))三項(xiàng)不規(guī)則因素,屬于超限高層建筑。因此,本項(xiàng)目應(yīng)進(jìn)行超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)［10］(簡(jiǎn)稱高規(guī))及本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),抗震性能目標(biāo)定為性能C,抗震性能目標(biāo)見表1。

表1 抗震性能目標(biāo)

3.2 連體對(duì)各塔樓的影響分析

為了驗(yàn)證弱連接體對(duì)多塔樓動(dòng)力特性的影響。采用YJK5.1軟件對(duì)整體模型(帶連接體并考慮支座實(shí)際參數(shù))與各單體模型分別進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,整體模型第1～3階振型主要為主塔的平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)(圖5),第4～5階振型主要為連廊的平動(dòng),第6階振型為主塔平動(dòng),第7～9階振型為連廊扭轉(zhuǎn),第10～15階振型為主樓扭轉(zhuǎn)。在第1～3、6階振型中,主樓略帶連廊振動(dòng);第4～5、7～9階振型中,連廊并未帶動(dòng)主樓一起振動(dòng),這表明連廊的存在對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響較小。此外,還提取了整體計(jì)算模型中各單塔(圖6)的前三階振型分量及其對(duì)應(yīng)的周期,并與各單體模型的前三階振型及周期進(jìn)行了對(duì)比。其中第4、5階、第7～9階為連廊振型。表2和表3展示了有連廊(整體模型)和無連廊(單塔模型)情況下主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的對(duì)比以及多遇地震下有連廊和無連廊結(jié)構(gòu)層剪力的對(duì)比。限于篇幅,表中僅列出左塔計(jì)算結(jié)果,右塔相似。

表2 有連廊和無連廊主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比

表3 多遇地震下有連廊和無連廊結(jié)構(gòu)層剪力對(duì)比

圖5 整體結(jié)構(gòu)振型圖

圖6 單塔(左塔)結(jié)構(gòu)振型圖

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)塔樓單體模型的前三階振型和周期與整體模型對(duì)應(yīng)的各單體前三階振型和周期較為接近(轉(zhuǎn)動(dòng)周期差異略大)。通過有連廊模型和無連廊模型的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者計(jì)算所得層剪力較為接近,差異在±10%以內(nèi)。有連廊整體模型計(jì)算得到的X向?qū)蛹袅β孕∮跓o連廊單塔模型,而計(jì)算得到的Y向?qū)蛹袅β源笥跓o連廊單塔模型。綜上,可以得出連接體對(duì)于塔樓自身動(dòng)力特性的影響較小,假設(shè)連體結(jié)構(gòu)的弱連接成立。由于帶連廊整體模型17層和18層的Y向剪力略大,因此在單體模型分析時(shí)需要考慮表3的層剪力放大,并考慮連接體模型的包絡(luò)。

3.3 結(jié)構(gòu)整體抗震性能分析

3.3.1 小震分析

左塔前三階周期為2.713s(X向平動(dòng))、2.591s(Y向平動(dòng))、2.089(扭轉(zhuǎn)),周期比為0.806,表明結(jié)構(gòu)具有足夠的抗扭剛度。同時(shí)其他控制指標(biāo),如結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震作用下的層間位移角、樓層最大位移比、層間剛度比、剪重比等控制指標(biāo)均在合理范圍內(nèi),主體結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件抗震承載力和層間位移均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)。

3.3.2 結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

根據(jù)高規(guī)第5.1.13條,需要進(jìn)行彈性時(shí)程補(bǔ)充分析。彈性時(shí)程分析中,采用5條天然波和2條人工波進(jìn)行雙向分析。主方向地震加速度按比例1∶0.85輸入,最大加速度為18cm/s2。將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范反應(yīng)譜法結(jié)果比較,單條波時(shí)程分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)基底剪力大于振型分解反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)果的65%。七條波時(shí)程分析結(jié)果結(jié)構(gòu)基底剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜方法計(jì)算結(jié)果的80%。施工圖階段,將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范反應(yīng)譜分析進(jìn)行比較,取時(shí)程法平均值和反應(yīng)譜法的包絡(luò)值作為最終結(jié)果。

3.3.3 罕遇地震作下的動(dòng)力彈塑性分析

采用SAUSAGE2021軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震彈塑性時(shí)程分析,采用了2組天然波和1組人工波共3組地震波。在彈塑性時(shí)程分析中,雙向地震波輸入,主次雙方向地震波峰值比為1∶0.85,主方向地震波峰值為125Gal。結(jié)構(gòu)在各波作用下的彈塑性分析整體計(jì)算結(jié)果如下:

(1)在各地震波作用下,大震作用下左塔和右塔X向最大頂點(diǎn)位移分別為0.166m和0.167m,側(cè)移角分別為1/305和1/311;Y向最大頂點(diǎn)位移分別為0.177m和0.171m,側(cè)移角分別為1/375和1/302。結(jié)構(gòu)最終仍能保持直立,符合“大震不倒”的設(shè)防要求。

(2)當(dāng)?shù)卣鸩ǚ謩e以X向、Y向?yàn)橹飨驎r(shí),結(jié)構(gòu)的彈塑性與彈性底部剪力最小比值分別為0.88和0.84,表明結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力,能夠降低承受的地震作用。

(3)選擇激勵(lì)較充分的人工波進(jìn)行大震彈性和大震彈塑性基底剪力時(shí)程曲線對(duì)比。結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后出現(xiàn)明顯的周期增大和反應(yīng)滯后現(xiàn)象,基底最大剪力明顯減小,說明結(jié)構(gòu)大震下通過塑性變形能夠有效降低地震響應(yīng)。

(4)由能量圖可知,阻尼耗能占結(jié)構(gòu)總能量比例較大,等效阻尼比最高達(dá)到7.1%,表明結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力。主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞,連梁和部分框架梁參與了塑性耗能,結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制合理,抗震性能良好。根據(jù)大震作用下構(gòu)件的損傷程度判定,剪力墻輕微損壞,框架柱輕度損壞,樓面梁輕度損壞,連體鋼結(jié)構(gòu)無損壞,各類構(gòu)件均能滿足既定的大震作用下性能水準(zhǔn)目標(biāo)要求。

4 鋼結(jié)構(gòu)連廊關(guān)鍵構(gòu)件節(jié)點(diǎn)分析

本工程的關(guān)鍵構(gòu)件是連體結(jié)構(gòu),連接節(jié)點(diǎn)上的桿件相交較多,因此節(jié)點(diǎn)受力較為復(fù)雜。本節(jié)將對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)中主要受力下弦桿的一個(gè)典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則是強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件,設(shè)計(jì)目標(biāo)是在大震組合工況下不產(chǎn)生屈服。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置加勁板,平衡各向應(yīng)力,降低應(yīng)力水平,提高節(jié)點(diǎn)承載力。在節(jié)點(diǎn)分析中,使用了ABAQUS軟件,并采用殼單元S4R來模擬鋼材。鋼材的彈性模量為206 000MPa,泊松比為0.3,鋼材牌號(hào)為Q420BGJ(弦桿)、Q355B(腹桿)。具體的強(qiáng)度根據(jù)鋼材厚度按照規(guī)范選取設(shè)計(jì)值,計(jì)算中按理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析。

選取大震作用下基本組合作用的最不利內(nèi)力工況作為節(jié)點(diǎn)荷載,節(jié)點(diǎn)內(nèi)力如圖7所示。典型節(jié)點(diǎn)在梁左端(U1=U2=U3=UR1=UR3=0)和右端(U1=U2=U3=UR3=0)分別設(shè)置約束,以限制節(jié)點(diǎn)在這些方向上的移動(dòng)。為了對(duì)該典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析,從盈建科軟件整體分析中提取桿端內(nèi)力并對(duì)有限元模型施加相應(yīng)的荷載。經(jīng)過彈性計(jì)算分析,在中震組合工況荷載作用下,典型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果如圖8、9所示。

圖7 大震作用下基本組合作用下節(jié)點(diǎn)內(nèi)力

通過有限元分析發(fā)現(xiàn),在不考慮初始缺陷和焊接殘余應(yīng)力的影響下,大震組合最不利工況下典型節(jié)點(diǎn)的最大Mises應(yīng)力為81.9MPa。這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)小于鋼材的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,說明關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能夠滿足大震不屈服的設(shè)計(jì)要求。

5 連廊支座分析

連廊與主體結(jié)構(gòu)連接采用鉛芯橡膠支座LRB500,連廊及支座編號(hào)如圖10所示。連廊支座與牛腿連接示意大樣圖如圖11所示。

圖10 連廊及支座編號(hào)圖

圖11 連廊支座連接示意圖

5.1 風(fēng)荷載作用下支座分析結(jié)果

對(duì)帶連體的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)荷載組合工況作用分析,采用彈性計(jì)算方法;放大風(fēng)荷載作用,取風(fēng)荷載體型系數(shù)放大1.25倍。在各荷載工況作用下支座反力如表4所示。

表4 各荷載工況作用下連廊支座反力計(jì)算結(jié)果/kN

由表4可知,按支座剪切變形100%的等效剛度計(jì)算,風(fēng)荷載作用下連廊各支座最大剪力均小于支座屈服力,表明風(fēng)荷載作用下鉛芯橡膠支座基本處于彈性狀態(tài);風(fēng)荷載作用下支座軸力遠(yuǎn)小于恒載作用下支座反力,支座未發(fā)生受拉情況。

5.2 大震作用下支座分析結(jié)果

對(duì)帶連廊的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震動(dòng)力時(shí)程分析,ZZA1和ZZA3支座在各地震波作用下最大位移、最大內(nèi)力如表5所示。

表5 連廊A支座計(jì)算結(jié)果

5.3 溫度作用下支座位移分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)［11］,浙江省杭州市的基本氣溫為-4～38℃,按施工時(shí)溫度為8～30℃計(jì)算,結(jié)構(gòu)的最大升溫工況為30℃,最大降溫工況為-34℃。鋼材的線膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃,混凝土線膨脹系數(shù)取1.2×10-5/℃,根據(jù)連廊跨度和主樓混凝土結(jié)構(gòu)平面尺寸估算得到連廊在溫度作用下的兩端支座位移如表6所示。

表6 溫度作用下連廊支座位移/mm

5.4 小結(jié)

對(duì)連廊鉛芯橡膠支座進(jìn)行風(fēng)荷載、溫度作用和大震作用下的位移及剪力分析可知,風(fēng)荷載作用下支座水平剪力小于支座屈服力,支座處于彈性階段,且未發(fā)生受拉情況;罕遇地震作用下支座最大水平位移190.5mm,疊加溫度作用下支座的位移并考慮1.2的放大系數(shù),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用300mm的間隙能滿足要求,支座未發(fā)生受拉情況。為避免極端情況下支座因發(fā)生超過設(shè)計(jì)的變形而跌落,支座設(shè)計(jì)時(shí)采取防墜落措施。

6 樓板舒適度分析

6.1 樓板振動(dòng)模態(tài)分析

根據(jù)規(guī)范要求,樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度,樓蓋的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3Hz。采用MIDAS Gen軟件,通過有限元計(jì)算分析連廊樓板的自振頻率,使用迭代Ritz向量法得到連廊樓板的豎向自振模態(tài)與頻率。連廊前兩階振動(dòng)模態(tài)如圖12、13所示。連廊樓蓋的一階自振頻率為4.158Hz,大于3Hz,滿足規(guī)范要求。

圖12 連廊樓蓋一階模態(tài)(4.158Hz)

圖13 連廊樓蓋二階模態(tài)(4.662Hz)

6.2 樓板豎向振動(dòng)加速度驗(yàn)算

根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)［12］(簡(jiǎn)稱舒適度標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定,采用時(shí)程分析法計(jì)算行人激勵(lì)下連廊的豎向振動(dòng)加速度。連廊為封閉式連廊,根據(jù)舒適度標(biāo)準(zhǔn)第9章規(guī)定,僅需進(jìn)行豎向振動(dòng)舒適度設(shè)計(jì)。采用鋼-混凝土組合樓蓋,阻尼比取0.01。連廊舒適度驗(yàn)算時(shí)活荷載為0.5 kN/m2,人群豎向激勵(lì)荷載按照舒適度標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)連廊的自振頻率計(jì)算結(jié)果,選取對(duì)樓蓋舒適度影響顯著的行走激勵(lì)荷載頻率(2.079Hz和4.158Hz))進(jìn)行分析。采用彈性板,將激勵(lì)按照等效面荷載施加于連廊樓板上,選取加速度最大點(diǎn)繪制不同時(shí)程曲線,結(jié)果如圖14所示。經(jīng)分析得知,連廊樓蓋的最大加速度為0.096 1m/s2,小于舒適度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的封閉連廊的豎向峰值加速度限值0.15 m/s2,符合舒適度要求。

圖14 連廊加速度時(shí)程曲線

7 抗震加強(qiáng)措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合本工程的實(shí)際情況,在施工圖設(shè)計(jì)階段,提出以下加強(qiáng)措施:1)鋼結(jié)構(gòu)連接體及與連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連體高度及上、下層范圍,應(yīng)提高一級(jí)采取抗震措施;2)塔樓收進(jìn)部位上、下各2層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件,提高一級(jí)采取抗震措施;3)底部加強(qiáng)區(qū)范圍延伸至裙房以上一層;4)塔樓收進(jìn)部位樓板加厚,加強(qiáng)配筋,雙層雙向配筋率不小于0.25%;5)加強(qiáng)樓板在大開洞周邊區(qū)域配筋,按中震作用下樓板應(yīng)力控制樓板配筋;6)對(duì)樓板大開洞造成的局部穿層柱,抗震等級(jí)提高一級(jí),適當(dāng)加強(qiáng)配筋,且配筋不小于相鄰不躍層框架柱。

8 結(jié)語

通過對(duì)單塔和連體結(jié)構(gòu)整體分析表明,連接體對(duì)塔樓動(dòng)力特性影響較小。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的弱連接,工程采用了在連廊兩端設(shè)置鉛芯橡膠支座的方式。多軟件計(jì)算分析結(jié)果顯示,采取有效措施后,該結(jié)構(gòu)整體能達(dá)到抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)“C”,符合“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求,設(shè)計(jì)是安全的。另外,空中連廊的振動(dòng)對(duì)人的心理影響較大,需要采用多種加載方式進(jìn)行舒適度驗(yàn)算。