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摘要：以上海某医院传染科病房楼大悬挑框架结构的设计为例，介绍了大悬挑结构关键构件在小震和中震作用下的构件设计及节点分析，在罕遇地震作用下的弹塑性分析方法。建议对此类整体悬挑框架结构进行两个阶段的设计，并对重要构件进行抗震计算。
关键字：整体大悬挑 悬挑构件 弹性分析
Abstract: Taking the large cantilever frame structure design of infectious diseases ward building in a hospital in Shanghai as an example, this paper describes the design features and nodal analysis of the key components of large cantilevered structure in the small and moderate earthquake,and introduces the elastic-plastic analysis in rare earthquake.It suggests adopting two-stage in designing cantilever frame structure and calculateing the seismic coefficient of the important component.
Keywords: Overall large cantilever Cantilever member Plastic analysis
一、工程概况
上海某三甲医院传染科病房楼为一幢单体建筑，包括地下2层车库和地上5层门急诊病房楼,建筑高度约为19.35m。总平面如图1所示。
本工程在靠近院外长乐路一侧有一地下污水处理池仍在使用且需要保留，造成该区域内的框架柱不能直接落地，使之成为本工程的设计难点和关键点。本文即围绕此关键点展开分析和论述，包括关键悬挑构件在小震和中震作用下的构件设计及节点分析，在罕遇地震作用下的弹塑性分析等。
设计中，考虑在地面一层采用加设混凝土斜撑的办法承托该部分结构并避开污水池，如图2所示。
混凝土斜撑下端直接置放在地下室混凝土连续墙上，斜撑上端与水平挑梁整体浇注，并由底层梁板来承担斜撑水平推力。斜撑相关框架柱及挑梁端部跨采用型钢混凝土结构形式。
此类型大悬挑结构的受力特点是大悬挑构件兼作转换构件，受力很大且是整体结构的最关键构件，容易造成应力集中等问题，对其内力分析也比较复杂。同时整体结构又受到悬挑部分的影响，需要对其在大震下的整体稳定作详细分析。
二、上部结构整体设计及关键悬挑构件分析
根据《建筑结构可靠度设计统一标准》，结合本工程的重要性及特性，结构设计及计算将根据《建筑抗震设计规范》的抗震设防目标（小震不坏，中震可修，大震不倒）进行两阶段计算（多遇地震作用下的承载力、弹性变形验算和罕遇地震作用下的弹塑性变形验算）。
上部结构设计及计算主要从如下几个方面考虑：
对全部结构进行正常使用条件下承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算；
对全部结构按上海设防烈度（7度）进行多遇地震下的地震作用计算，按提高一度（8度）进行多遇地震下的抗震构造设计和计算；
对地面一层大悬挑构件及其相关的梁、柱、斜撑等重要构件按上海设防烈度（7度）除进行多遇地震下的水平地震作用计算外另考虑竖向地震作用的计算，抗震等级提高一级；
对地面一层大悬挑构件及其相关的梁、柱、斜撑等重要构件按上海设防烈度（7度）进行相当于基本设防烈度的地震作用（即中震）情况下的抗震计算（第二水准：允许结构达到或超过屈服极限，产生弹塑性变形，依靠结构的塑性耗能能力，使结构得以保持稳定保存）；
按上海设防烈度（7度）进行罕遇地震（相当于8度）作用计算。
根据上述计算目标，确定本工程采用中国建筑科学研究院编制的SATWE空间有限元分析软件进行全部计算（包括弹性时程分析计算），另采用韩国MIDAS/Gen通用有限元程序进行罕遇地震下静力弹塑性的补充计算。
（一）多遇地震整体计算分析
用SATWE建模计算结果如下：
1.周期及扭转（见表1）
2.最大弹性层间位移与楼层高度之比
地震作用下的层间最大位移角为:X方向,1／719；Y方向，1／608。
3.地震作用下的最大层间位移比
X方向，1.14；Y方向，1.20。
4.按偶然偏心进行地震作用下的位移比计算出的结果X方向，1.18，相应的位移角为1／693，出现在地面上第2层；
Y方向，1.34，相应的位移角为1／727，出现在地面上第4层。
5.层间刚度比
本结构单元从地面一层到二层为局部竖向外挑的主要变化过渡层，根据SATWE程序计算结果，地上二层与一层的侧向刚度比为：Ratx =0.7010 ；Raty =0.5308。
地上一层与二层70％的侧向刚度比为：Ratx1= 2.0378； Raty1= 2.6910
6.地震剪力与重力之比（地面一层）
X方向，Q0x/Ge＝6.27％，有效质量系数: 99.5％；
Y方向，Q0y/Ge＝6.03％，有效质量系数: 99.5％。
7.抗倾覆验算结果（见表2）
8.弹性时程分析
本工程计算采用一条上海人工地震波（SHM1－4）和两条天然波（分别为TH3TG090和TH4TG090）进行弹性时程分析计算，结果如下：
最大楼层位移曲线：X方向18.4mm，Y方向19.1mm。
最大层间位移曲线（层间最大位移角）：X方向1/729，Y方向1/642。
最大楼层剪力曲线：X方向5375 kN，Y方向5243kN。
上述时程分析结果均满足《建筑抗震设计规范》有关单条时程曲线计算底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65％和多条时程曲线计算底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果80％的要求。
（二）设防烈度地震(中震)悬挑构件计算分析
为保证地面一层大悬挑构件及其相关的梁、柱、斜撑等重要构件在中震下能继续保持弹性状态（允许部分一般构件达到或超过屈服极限，产生弹塑性变形），从而保证整体结构的安全，本工程在进行设防烈度下的地震作用计算时，取最大影响系数αmax＝0.23。
1.层间最大位移角
现行规范尚未对中震下的结构变形提出明确控制指标，此处列出仅供参考）：
X方向，1／229；Y方向，1／227。
2.主要构件内力
按照上述地震荷载作用和设计原则，计算出结构内力。根据计算结果知道，一层大悬挑构件及其相关的梁、柱、斜撑等重要构件在中震下可以继续保持弹性状态。因此，本结构设计可以达到上述目标。现以受荷载作用最大的③轴线梁柱支撑为例，列出其构件内力从小震到中震的变化，见表3。
（三）罕遇地震计算分析
进行罕遇地震作用的计算目的是了解结构在罕遇地震作用下能否满足《建筑抗震设计规范》关于大震不倒的抗震设防目标。因此，本结构首先采用EPDA/EPSA软件分别进行罕遇地震作用下结构的弹塑性变形暨静力弹塑性分析（PUSH-OVER）抗倒塌验算和动力弹塑性计算，然后采用韩国MIDAS/Gen通用有限元程序进行静力弹塑性分析（PUSH-OVER）补充计算。在进行罕遇地震作用计算时，依据上海《建筑抗震设计规程》取最大影响系数αmax＝0.45，特征周期Tg＝1.1sec。
1.静力弹塑性EPSA计算
图3分别为各楼层位移、各楼层位移角和抗倒塌验算图。
从图3中可以看出，最大层间位移角出现在地面以上二层为1/95，而结构顶点位移为141mm，位移角相当于1/138。而从抗倒塌图中可以看出结构的能力曲线穿越需求谱曲线具有性能控制点，说明本结构可以抵御罕遇地震作用而不倒塌，既满足《建筑抗震设计规范》规定框架结构最大弹塑性层间位移角不大于1/50的限制要求，也满足了“大震不倒”的抗震设防目标。
2.动力弹塑性EPDA计算
图4（P63）为根据EPDA软件输入上海人工地震波（SHM1－4）和两条天然波（分别为TH3TG090和TH4TG090）后进行罕遇地震下结构的动力弹塑性时程分析计算结果。图中所谓第1、2、3条波分别相应于TH3TG090、TH4TG090和SHM1－4波。
（1）位移时程曲线
从三条波的时程位移曲线可以看出TH4TG090波作用下的顶层最大响应位移达152.2mm（相当于位移角为1/124）。
（2）楼层位移曲线和层间位移角曲线
最大楼层位移152.2mm（相当于位移角为1/124）与上述TH4TG090波的时程位响应一致。地面以上的第二、第三层楼面的楼层位移角近于最大值，约为1/87。
（3）楼层剪力曲线和楼层弯矩曲线
图6所述罕遇地震下结构的动力弹塑性时程分析计算结果与静力弹塑性分析计算结果相当，说明本结构可以抵御罕遇地震作用而不倒塌，满足《建筑抗震设计规范》规定框架结构最大弹塑性层间位移角不大于1/50的限制要求和“大震不倒”的抗震设防目标。
3.静力弹塑性MIDAS计算
为了简化计算分析过程，考虑到地下室与上部结构的刚度关系，在采用MIDAS进行静力弹塑性计算时将地下室部分视为上部结构的嵌固约束点从而省略。以此进行整体和抽取其中一榀框架进行对照计算，见图7图8所示。
图7、图8中，整体和单榀抗倒塌图的能力曲线均穿越需求谱曲线具有性能控制点，说明结构可以抵御罕遇地震作用而不倒塌，满足《建筑抗震设计规范》规定。
图9、图10（P65）分别是整体和单榀计算的各楼层位移、各楼层位移角图。
从两图中可以看出，最大层间位移角也均出现在地面以上二层。其中整体计算的最大位移角约为1/185，结构顶点位移累计为73mm，位移角相当于1/259。而单榀计算的最大位移角约为1/77，结构顶点位移累计为145mm，位移角相当于1/130。显然，单榀框架的空间整体性远不及整体结构的空间效果。但整体和单榀抗倒塌图中的能力曲线均穿越需求谱曲线具有性能控制点，说明本结构可以抵御罕遇地震作用而不倒塌，既满足《建筑抗震设计规范》规定框架结构最大弹塑性层间位移角不大于1／50的限制要求，也满足了“大震不倒”的抗震设防目标。
另外，在观察罕遇地震作用下塑性铰的出现顺序和分布时发现塑性铰基本以地面以上二层为先为多。最终破坏时的塑性铰也在二层以上的柱、梁。而底层混凝土型钢柱则没有出现破坏铰，说明底层可以满足大震下的抗震要求。
三、结束语
综合上述，对该病房楼大悬挑框架结构的设计作出以下结论：
对此类整体悬挑框架结构进行除正常使用条件下的强度和正常使用极限状态的设计外，根据《建筑抗震设计规范》的抗震设防目标（小震不坏，中震可修，大震不倒）进行两阶段设计（多遇地震作用下的承载力、弹性变形验算和罕遇地震作用下的弹塑性变形验算）是有必要的，也是可行的。
应对大悬挑构件及其相关的梁、柱、斜撑等重要构件进行多遇地震下的水平地震作用计算和即中震情况下的抗震计算。
应对结构整体进行罕遇地震作用计算以了解结构在罕遇地震作用下能否满足大震不倒的抗震设防目标。
（责任编辑 凌云）
参考文献
[ 1 ] GB50011-2001 建筑抗震设计规范（2008版）[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2001
[ 2 ]吕西林. 中震弹性设计与中震不屈服设计的理解及实施[J].上海：结构工程师,2008
[ 3 ]李国胜. 多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例[M] . 北京：中国建筑工业出版社,2004
