李 林, 王安梅, 周忠發(fā), 張江滔, 陳 誠

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

本工程為宜賓三江新區(qū)大健康醫(yī)療產(chǎn)業(yè)補短板項目-醫(yī)療服務(wù)中心,位于四川省宜賓市,主要使用功能為門診、醫(yī)技、住院及車庫,包含綜合樓和住院樓,地上建筑面積約38 541m2,地下建筑面積約29 508m2。地下1層,隔震層設(shè)置在地下室頂板。其中綜合樓房屋高度為23.9m,地上4層,主要層高為6.0、5.4m,平面異形,X向長度為109m、Y向長度為85m,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu);住院樓房屋高度為35.1m,地上8層,主要層高為3.9、4.2m,平面呈矩形,X向長度為27m、Y向長度為105m,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。為保證綜合樓與住院樓間的通行,分別在兩棟樓的2、4層設(shè)置連廊,3、5層為不上人的連廊屋頂。建筑整體效果見圖1。

圖1 建筑效果圖

2 連廊結(jié)構(gòu)布置

本工程設(shè)計基準期為50年,設(shè)計工作年限為50年,建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類,結(jié)構(gòu)安全等級為一級;50年一遇基本風壓W0=0.30kN/m2,地面粗糙度類別為B類;抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g),設(shè)計地震分組為第二組,場地類別為Ⅲ類。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[1]附錄E和宜府辦函〔2010〕163號文件,將該場地的地震動峰值加速度值提高至0.15g。

連廊樓面建筑標高分別為5.15m和16.55m,高度分別為4.9m和5.2m,側(cè)面桁架結(jié)構(gòu)布置見圖2,樓面和屋頂結(jié)構(gòu)平面布置見圖3和圖4。

圖2 連廊側(cè)面桁架結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 連廊樓面結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 連廊屋頂結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 連廊連接方式研究

連廊與塔樓的連接方式可以分為強連接和弱連接[2]。當連接體或連接方式的剛度較弱,無法協(xié)調(diào)連接體兩側(cè)的主體結(jié)構(gòu)共同工作,即為弱連接;當連接體和連接方式的剛度足夠,能夠?qū)⒏鲉误w結(jié)構(gòu)連接為整體、協(xié)調(diào)受力、協(xié)同變形,即為強連接[3]。

采用SAUSAGE軟件對整體結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性分析,對比有無連廊時兩側(cè)塔樓的質(zhì)量、振型和周期,進行連廊連接方式的比選。結(jié)構(gòu)整體模型見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)整體模型

根據(jù)工程特點,連廊與兩側(cè)塔樓的對比連接方案有4種。方案1:無連廊;方案2:連廊與綜合樓固結(jié)連接,與住院樓采用彈性滑板支座連接;方案3:連廊與綜合樓、住院樓均采用隔震支座連接;方案4:連廊與綜合樓、住院樓均固結(jié)連接。

連廊質(zhì)量為375t,綜合樓質(zhì)量為61 647t,住院樓質(zhì)量為59 274t,連廊自身質(zhì)量與綜合樓的比值為0.61%,與住院樓的比值為0.63%。

通過各方案的塔樓振型對比可知,方案2和方案3的振型與方案1基本一致,表明這兩種連接方案的連廊對塔樓振型影響較小。

不同連接方案的結(jié)構(gòu)周期見表1。通過表1可知,方案4的第3振型為扭轉(zhuǎn)振型,扭轉(zhuǎn)周期比偏大,塔樓及連廊振型耦合在一起,兩側(cè)塔樓不對稱,高度不一致,結(jié)構(gòu)動力特性差異較大。采用兩端滑動或一端滑動的弱連接方案,連廊無法協(xié)調(diào)連接體兩側(cè)的塔樓結(jié)構(gòu)共同工作,對塔樓周期影響較小,塔樓結(jié)構(gòu)振型較為獨立。因兩側(cè)塔樓均采用隔震結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)上部位移較大,綜合考慮連廊質(zhì)量、振型、周期對比分析結(jié)果,同時,考慮橡膠支座存在一定的剛度,最終采用連廊與綜合樓固結(jié),與住院樓滑動連接的方案(方案2),通過彈性滑板支座自身滑動變形能力,協(xié)調(diào)消化兩側(cè)塔樓之間的相對位移,避免住院樓出現(xiàn)連體結(jié)構(gòu)不規(guī)則項[4]。

表1 不同連接方案的結(jié)構(gòu)周期及對比

4 連廊對主體結(jié)構(gòu)的影響

設(shè)防地震下,七條地震波時程分析有無連廊時兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩平均值見表2。其中,無連廊單體模型分析時,根據(jù)有連廊整體模型分析結(jié)果,將連廊質(zhì)量作為附加豎向荷載作用于兩側(cè)塔樓。

表2 設(shè)防地震下兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩對比

罕遇地震下,七條地震波時程分析有無連廊時兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩平均值見表3。

表3 罕遇地震下兩側(cè)塔樓底部剪力及傾覆力矩對比

由表2和表3可知,在設(shè)防地震和罕遇地震作用下,連廊采用一端固結(jié)一端滑動的弱連接方案,對塔樓的影響較小,有無連廊對比計算得出兩側(cè)塔樓的底部剪力和傾覆力矩基本一樣,表明本工程按單體模型進行承載力設(shè)計基本可行[5]。

5 連廊支座選型

罕遇地震下,含隔震層的有連廊整體模型和無連廊單體模型的七條地震波時程分析支座位移平均值見表4。其中,有連廊整體模型中彈性滑板支座相對位移為彈性滑板支座在同一時刻上下節(jié)點的最大相對位移。

表4 罕遇地震下有無連廊時支座位移對比

依據(jù)《建筑隔震設(shè)計標準》(GB/T 51408—2021)[6](簡稱《隔標》)第5.4.1條,選用的滑動支座最大變形量需不小于768mm;綜合考慮,選用彈性滑板隔震支座ESB700,彈性滑板支座水平極限位移為1 100mm,設(shè)計水平位移限值為0.75×1 100=825mm,滿足兩側(cè)塔樓的相對變形需求。彈性滑板支座設(shè)計力學性能參數(shù)見表5。

表5 ESB700彈性滑板支座設(shè)計力學性能參數(shù)

風荷載作用下,連廊部位的體型系數(shù)取2[7],計算所得連廊最大水平剪力標準值為85.4kN,小于總重力的10%,經(jīng)復(fù)核連廊固結(jié)端承載力滿足要求;重力荷載代表值作用下滑動支座最大壓應(yīng)力為2.6MPa,小于15MPa;罕遇地震下,支座未出現(xiàn)拉應(yīng)力。連廊滑動端彈性滑板支座及其滑動平臺見圖6。

圖6 彈性滑板支座及滑動平臺圖

6 隔震層對連廊的影響

罕遇地震下,七條地震波有無隔震層時帶連廊整體模型的時程分析支座位移平均值見表6。

表6 罕遇地震下有無隔震層時支座位移對比

通過有無隔震層整體模型對比計算可知,有隔震層時,結(jié)構(gòu)周期較長,塔樓隔震層上部結(jié)構(gòu)層間位移角較小,連廊所受地震作用較小,但支座相對位移較大,故采用相對變形較大的彈性滑板支座來滿足位移要求。

7 連廊防落防撞措施

為防止在極端不利情況下,連廊支座位移超過極限位移,并與塔樓結(jié)構(gòu)發(fā)生撞擊或跌落,采取了以下措施:1)增加滑動端彈性滑板支座滑移面板尺寸,保證上支座在滑移面板內(nèi)正常工作;2)住院樓結(jié)構(gòu)上與連廊樓面對應(yīng)位置設(shè)置50mm厚橡膠墊,且在連廊樓面端部焊接端板,以增大樓面弦桿與橡膠墊發(fā)生碰撞時的接觸面積[8];3)連廊桁架端柱上部與主體結(jié)構(gòu)間均設(shè)置一道防墜拉索,以加強防落安全儲備,作為第二道防線。拉索平時松弛,承載力不小于1 000kN,固定端拉索預(yù)留150mm的伸長量,滑動端拉索預(yù)留850mm的伸長量,避免拉索過短影響小震、中震、大震下滑動支座的變形。

8 連廊舒適度分析

根據(jù)連廊邊界條件、實際受力情況簡化結(jié)構(gòu)模型后,采用MIDAS Gen計算的第一階豎向自振模態(tài)和橫向自振模態(tài)見圖7和圖8。第一階豎向自振頻率為9.49Hz,大于3Hz;第一階橫向自振頻率為2.81Hz,大于1.2Hz,滿足要求。

圖7 第一階豎向自振模態(tài)

圖8 第一階橫向自振模態(tài)

連廊的建筑功能為通行封閉走廊,依據(jù)《建筑樓蓋振動舒適度技術(shù)標準》(JGJ/T 441—2019)[9]施加人群豎向荷載和橫向荷載[10],相應(yīng)曲線見圖9。人群荷載激勵下,連廊節(jié)點的豎向加速度和橫向加速度時程曲線見圖10,最大豎向加速度為0.004m/s2<0.15m/s2,最大橫向加速度為0.002m/s2<0.10m/s2,均滿足要求。

圖9 人群荷載曲線

圖10 加速度時程曲線

9 連廊及其相關(guān)范圍的設(shè)計

9.1 性能目標

鑒于隔震建筑間連廊結(jié)構(gòu)的特殊性,根據(jù)《隔標》第4.4節(jié)及其條文說明,將連廊及其相鄰上層以下各層框架柱、剪力墻定義為關(guān)鍵構(gòu)件,滿足中震彈性,大震不屈服的性能目標。

9.2 構(gòu)件性能水平

兩側(cè)塔樓采用旋挖鉆孔灌注樁基礎(chǔ),以中風化泥巖為樁端持力層,計算沉降差為6mm,沉降差引起的固定端弦桿附加內(nèi)力僅27.3N/mm2,對桿件影響較小。結(jié)構(gòu)豎向地震影響系數(shù)最大值取水平地震影響系數(shù)最大值的65%,控制豎向有效質(zhì)量系數(shù)大于95%。

連廊跨度25.3m,寬度5.4m,長寬比為4.7,長寬比較大,存在一定的邊鞘效應(yīng)。將連廊的水平地震作用效應(yīng)乘以系數(shù)3,再作為水平附加力作用于連廊上。水平附加力標準值為506.3kN,大于水平風荷載,故僅計算水平附加力對固定端支座的影響。考慮水平附加力對固定端支座形成的剪力由樓板承擔,形成的力矩由樓面兩側(cè)弦桿承擔。

經(jīng)計算,設(shè)防地震下,混凝土樓板滿足抗剪要求,連廊最大應(yīng)力比0.51,小于1.0,滿足中震彈性的要求;罕遇地震下,連廊最大應(yīng)力比0.90,小于1.0,仍能保持較好的彈性性能。

有連廊整體模型和無連廊單體模型彈塑性分析結(jié)果表明連廊及兩側(cè)塔樓相關(guān)范圍構(gòu)件均能滿足性能目標的要求。罕遇地震作用下,連廊及其相關(guān)范圍構(gòu)件的性能水平見圖11。由圖可知,連廊無損壞,與連廊相連框架柱、剪力墻輕微或輕度損壞,各關(guān)鍵構(gòu)件均滿足性能目標要求。

圖11 罕遇地震下連廊及其相關(guān)范圍構(gòu)件的性能水平

9.3 綜合樓相關(guān)范圍的加強措施

(1)樓板加厚至180mm,鋼筋雙層雙向通長布置,通長配筋率不小于0.25%。

(2)框架抗震構(gòu)造措施的抗震等級提高一級。

(3)與連廊相連框架柱箍筋全長加密,按中震彈性,大震不屈服進行包絡(luò)設(shè)計。

9.4 住院樓相關(guān)范圍的加強措施

(1)剪力墻抗震構(gòu)造措施的抗震等級提高一級。

(2)與滑動平臺相連剪力墻在連廊屋頂標高以下均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,按中震彈性,大震不屈服進行包絡(luò)設(shè)計。

(3)與連廊相連滑動平臺,按大震彈性設(shè)計。

9.5 連廊的加強措施

(1)為提高連廊的豎向剛度、承載力和整體性,樓面及屋頂平面內(nèi)增加斜向支撐形成平面桁架,并與兩側(cè)側(cè)面桁架形成空間桁架結(jié)構(gòu)[11]。平面桁架和側(cè)面桁架橫向腹桿間距一樣,均在縱向弦桿處剛接連接,形成橫向框架,保證連廊屋頂風荷載和地震作用向樓面的有效傳遞。

(2)局部加長固結(jié)端連廊樓面寬度,加高固結(jié)端弦桿節(jié)點,增強連廊與綜合樓的連接,增加平面內(nèi)的剛度。

(3)采用隔震縫構(gòu)造處理連廊與住院樓間滑動縫,建筑地面和欄桿構(gòu)造做法參照《建筑隔震構(gòu)造詳圖》(滇20G9-1)中樓面隔震縫構(gòu)造和過道隔震縫處欄桿扶手構(gòu)造處理。

(4)兩側(cè)桁架腹桿、上弦桿不與綜合樓連接,減小固結(jié)端的豎向連接剛度,減少對塔樓結(jié)構(gòu)的不利影響。

(5)預(yù)留固結(jié)端連接節(jié)點,待兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)完工且后澆帶封閉后,方可提升安裝連廊構(gòu)件,減少基礎(chǔ)沉降和結(jié)構(gòu)變形的不利影響。

10 結(jié)論

(1)針對水平位移和體量差異大的隔震建筑連廊的連接特點,進行了3種連接方式的選型分析,最終采用一端固結(jié),一端滑動的弱連接方式來減弱連廊對兩側(cè)隔震建筑主體結(jié)構(gòu)的影響,同時避免塔樓出現(xiàn)連體結(jié)構(gòu)不規(guī)則項。

(2)設(shè)防地震和罕遇地震作用下,連廊對兩側(cè)隔震建筑的影響較小,塔樓結(jié)構(gòu)底部剪力和傾覆力矩基本一樣,塔樓結(jié)構(gòu)按單體模型進行承載力設(shè)計基本可行。

(3)隔震建筑連廊滑動端相對位移較大,宜采用相對變形較大的彈性滑板支座來滿足位移要求,減少連廊對兩側(cè)塔樓的不利影響。

(4)隔震建筑連廊應(yīng)重視防落防撞措施和舒適度分析并滿足標準要求。