某醫(yī)院住院樓設(shè)計(jì)

劉佳毅，王 琳，龔 琦，張 建

(1.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南鑫華建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

項(xiàng)目位于云南省施甸縣。該住院樓總建筑面積為30 283.20 m2；地上11層，地下1層，建筑高度46.200 m，長(zhǎng)120.6 m，寬23.5 m。結(jié)構(gòu)形式為鋼支撐(BRB)-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用減震技術(shù)，1～11層設(shè)置BRB。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.20 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期值0.45 s，框架抗震等級(jí)特一級(jí)。建筑設(shè)防類別：重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。

1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

工程采用筏形基礎(chǔ)，筏板厚1 500 mm，柱下設(shè)置下柱墩，以③層碎石層為持力層，承載力特征值為280 kPa。

圖1 效果圖

2 結(jié)構(gòu)選型及布置

2.1 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)《云南省建設(shè)工程抗震設(shè)防管理?xiàng)l例》《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》的有關(guān)要求，該項(xiàng)目需采用減隔震技術(shù)，受制于建筑要求，無(wú)法采用隔震技術(shù)，只能采用減震技術(shù)。

該住院樓2層設(shè)有手術(shù)室，無(wú)法布置剪力墻，故普通框架-抗震墻或抗震墻結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在滿足建筑使用功能的前提下，可供選擇的結(jié)構(gòu)體系為鋼框架，鋼筋混凝土框架、鋼支撐-鋼筋混凝土框架。經(jīng)計(jì)算比較，鋼支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于其余兩種，故最終確定采用該結(jié)構(gòu)體系。

圖2 基礎(chǔ)平面布置圖

2.2 結(jié)構(gòu)布置

住院樓標(biāo)準(zhǔn)柱跨為7.8×8.5 m、7.8×7.4 m。砼強(qiáng)度等級(jí)C50～30。其中建筑一、二層梁、柱均配置鋼骨。主要構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表1。

表1 構(gòu)件截面尺寸

工程采用YJK軟件試算的方式，首先估算出當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)位移值時(shí)，所需的附加剛度，每層設(shè)置合理數(shù)量的阻尼器及合理的阻尼器有效剛度。同時(shí)驗(yàn)算底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的百分比，以滿足該結(jié)構(gòu)體系的要求，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。阻尼器的布置遵循均勻、分散、對(duì)稱的原則。該工程防屈曲支撐布置圖見(jiàn)3-5，各層數(shù)量見(jiàn)表4。

表2 向地震傾覆力矩

表3 向地震傾覆力矩

表4 全樓BRB匯總表

圖3 首層BRB布置

圖4 標(biāo)準(zhǔn)層BRB布置

圖5 頂層BRB布置

圖6 結(jié)構(gòu)布置圖

3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 嵌固端的選取

該工程地下室住院樓下部為1層，其余部分均為2層。住院樓與純地下室存在0.9 m高差，為保證水平力的有效傳遞，設(shè)置斜板及斜墻，地下室頂部作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，地下一層滿足相應(yīng)的嵌固要求。

3.2 超限情況

工程存在以下不規(guī)則項(xiàng)：

1)樓板不連續(xù)：樓板有效寬度為40 %

2)11層局部有框架柱轉(zhuǎn)換。

該建筑為平面一般不規(guī)則，豎向一般不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

3.3 性能目標(biāo)

該工程減震要求為：在多遇地震下，其建筑結(jié)構(gòu)須完全保持彈性，且非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無(wú)明顯損壞；在罕遇地震作用下，其減震阻尼器系統(tǒng)仍能正常發(fā)揮功能。

表5 減震性能目標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)多遇地震下的分析

4.1 反應(yīng)譜計(jì)算

計(jì)算軟件采用YJK(1.8.3)與SAP2000(19.0.0)2種軟件進(jìn)行。

主要計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表6-8

表6 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

表7 結(jié)構(gòu)樓層剪力對(duì)比

表8 結(jié)構(gòu)位移角匯總

由表8可知2種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致。表明結(jié)構(gòu)布置合理，無(wú)較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；各指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4.2 彈性時(shí)程分析

工程選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程曲線，結(jié)果取平均值。所選取加速度時(shí)程曲線滿足規(guī)范要求且與反應(yīng)譜擬合較好，詳見(jiàn)表9及圖6。

表9 結(jié)構(gòu)模型底部剪力對(duì)比

注：T534號(hào)—1980年MAMMOTH LAKES地震CAS HBAUG&HRANCH臺(tái)站記錄；T570號(hào)—1999年CHI-CHI TAIWAN地震CHY062臺(tái)站記錄；T605號(hào)—1995年KOBE JAPAN地震TAKARAZU臺(tái)站記錄；T620號(hào)—1984年MORGAN HILL地震HOLLISTER DIFFARRAY臺(tái)站記錄；T703號(hào)—2002年GILROY地震DUBLIN FIRE STATION臺(tái)站記錄.R1、R2為人工波

經(jīng)計(jì)算，各加速度時(shí)程曲線在多遇地震下最大層間位移角平均值X方向?yàn)?/863，Y方向?yàn)?/832，均小于減震目標(biāo)值1/720；層間位移角曲線詳見(jiàn)圖7，8。提取所有BRB在各工況下的軸力進(jìn)行分析可知，在風(fēng)荷載、溫度荷載、地震作用下所有BRB的軸力均小于其屈服力，故BRB處于完全彈性狀態(tài)。

圖7 X向小震層間位移角曲線

圖8 X向小震層間位移角曲線

5 結(jié)構(gòu)罕遇地震下的分析

進(jìn)行大震彈塑性時(shí)程分析時(shí)，選用選取了實(shí)際2條強(qiáng)震記錄和1條人工模擬加速度時(shí)程曲線，結(jié)果取包絡(luò)值。

經(jīng)計(jì)算分析在罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)X向的層間位移角包絡(luò)值為1/159，非減震結(jié)構(gòu)X向的層間位移角為1/116，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比為0.73；減震結(jié)構(gòu)Y向的層間位移角包絡(luò)值為1/163，非減震結(jié)構(gòu)Y向的層間位移角為1/122，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比為0.75。同時(shí)絕大多數(shù)屈曲約束支撐(BRB)進(jìn)入塑性階段，發(fā)揮了良好的耗能能力。少量(14個(gè)，占比4.6 %)屈曲約束支撐(BRB)仍處于彈性階段，作為超罕遇地震下的安全儲(chǔ)備。結(jié)果詳見(jiàn)圖9-13。

圖9 X向大震層間位移角曲線

圖10 Y向大震層間位移角曲線

圖11 R1波Y向能量耗散曲線

圖12 181號(hào)支撐T570波Y向滯回曲線

6 主要抗震措施

1)該工程為高層鋼支撐(BRB)-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，為保證柱在地震時(shí)有足夠的延性，在底部?jī)蓪恿骸⒅性O(shè)置型鋼，在其他樓層混凝土柱中設(shè)置芯柱及使用復(fù)合箍。

2)對(duì)于樓板不連續(xù)的結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型，并計(jì)入樓板局部變形的影響。對(duì)于樓板不連續(xù)的區(qū)域，通過(guò)加厚該區(qū)域樓板厚度，并以樓板應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行樓板配筋，以保證地震作用的傳力途徑。

3)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)措施：局部薄弱樓板加厚至150 mm厚，樓板采用溫度應(yīng)力分析復(fù)核并加強(qiáng)配筋，梁板混凝土中摻入抗裂膨脹劑并增設(shè)膨脹加強(qiáng)帶。

4)地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，住院樓下地下室頂板與純地下室頂板間存在0.9 m高差，為保證水平力有效傳遞及頂板嵌固的有效性，在高差處設(shè)置斜板斜墻。

5)為避免地下室頂板子結(jié)構(gòu)梁出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)一層屈曲約束支撐產(chǎn)生不利影響，在子結(jié)構(gòu)梁下均增加350 mm厚構(gòu)造剪力墻。

圖13 R1波X向最終出鉸情況

7 結(jié) 語(yǔ)

與框架結(jié)構(gòu)附加BRB的體系相比，鋼支撐(BRB)-混凝土框架結(jié)構(gòu)將適用的最大高度大幅增加，能有效解決高度超限問(wèn)題；有較好的經(jīng)濟(jì)型。與普通鋼支撐-混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，BRB可以自由調(diào)節(jié)剛度而不存在失穩(wěn)的問(wèn)題，在中、大震下屈服耗能保護(hù)結(jié)構(gòu)主體。普通鋼支撐則受限于構(gòu)造要求，難以自由調(diào)節(jié)其剛度。

由于住院樓內(nèi)填充墻數(shù)量較多，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量較大，單位面積質(zhì)量(恒載)達(dá)到16.7 kN/m2，以一般軸壓比限值控制柱截面則會(huì)造成柱截面過(guò)大，通過(guò)使用復(fù)合箍+芯柱提高柱軸壓比限值可大幅減小柱截面；同時(shí)減小柱的截面也能提高柱間位移，增加BRB的工作效率。

綜上所述，該結(jié)構(gòu)體系選取、結(jié)構(gòu)布置合理，具有良好的抗震耗能機(jī)制。采用鋼支撐(BRB)-混凝土框架結(jié)構(gòu)既有效提高了結(jié)構(gòu)主體的安全性又具有較好的經(jīng)濟(jì)性。