某高烈度地區(qū)基礎(chǔ)隔震醫(yī)院建筑鋼結(jié)構(gòu)屋架分析與設(shè)計

張興 楊京華 陰偉華 崔宇強(qiáng)

中國中元國際工程有限公司 北京 100089

1 工程概況

某高烈度地區(qū)采用隔震設(shè)計的醫(yī)院建筑異地新建項目位于甘肅省蘭州市，建筑面積144544m2，主要建設(shè)內(nèi)容為門診醫(yī)技樓、綜合病房樓等。

建筑方案通過南北貫通的主街，方正的庭院單元，高低錯落的建筑體量，體現(xiàn)設(shè)計理念，見圖1建筑效果圖。

圖1 建筑效果圖

其中，綜合病房樓地上14層，采用框架-抗震墻結(jié)構(gòu)；門診醫(yī)技樓地上4層，采用框架結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體分析

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223-2008），本工程為重點(diǎn)設(shè)防類防災(zāi)救災(zāi)建筑。根據(jù)甘肅省住建設(shè)廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見（暫行）》、《進(jìn)一步做好我省減震隔震技術(shù)推廣應(yīng)用工作的通知》（甘建設(shè)〔2014〕260號），對抗震設(shè)防烈度8度及以上的地震高烈度地區(qū)及地震災(zāi)后重建的4至12層學(xué)校教學(xué)樓、學(xué)生宿舍、醫(yī)院醫(yī)療用房、幼兒園等人員密集公共建筑，要求必須采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，以提高此類建筑的抗大震能力，減少人員損失和提高抗震應(yīng)急水平。

根據(jù)《工程場地地震安全性評價報告》，本工程抗震設(shè)防參數(shù)見 表1抗震設(shè)防參數(shù)。

表1 抗震設(shè)防參數(shù)

經(jīng)分析，按抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類進(jìn)行設(shè)計。門診醫(yī)技樓采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)，自隔震層樓板頂計算結(jié)構(gòu)高度18.6+2.19=20.79m，寬96.6m，高寬比0.21。

鋼結(jié)構(gòu)屋架主要位于門診醫(yī)技樓屋頂，長度約116m，典型寬度17.3m，最大寬度46.9m；入口立柱之間無支撐跨度27.3m，門診大廳處無支撐跨度19.2m。鋼屋架平面、立面示意圖，見圖2鋼屋架平面示意圖、圖3鋼屋架立面示意圖。

圖2 鋼屋架平面示意圖

圖3 鋼屋架立面示意圖

根據(jù)建筑造型要求，鋼結(jié)構(gòu)屋架呈飄帶狀，將門診醫(yī)技樓醫(yī)療主街采光頂與入口雨棚連為整體。為展現(xiàn)輕盈、完整的建筑效果，結(jié)構(gòu)采用平板網(wǎng)殼形式，同時，為節(jié)省造價、降低施工難度，桿件采用熱軋或焊接H型鋼。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010)(2016年版)、《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ7-2010) 及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)等要求，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)考慮網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)的相互影響。初步分析時，采用YJK結(jié)構(gòu)計算軟件建立整體三維模型進(jìn)行彈性分析，鋼結(jié)構(gòu)屋架與下部混凝土結(jié)構(gòu)的連接采用鉸支座連接，僅約束3個方向平動自由度，釋放節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動自由度，便于控制連接桿件的截面尺寸，更有利于減小鋼結(jié)構(gòu)屋架對主體結(jié)構(gòu)的影響，見圖4結(jié)構(gòu)yjk三維模型示意圖[1][3]。

圖4 結(jié)構(gòu)yjk三維模型示意圖

圖5 第二階振型（Y方向）示意圖

圖6 第七階振型（Y方向）示意圖模型建立

通過合理布置隔震支座，隔震后的上部結(jié)構(gòu)自振周期（前3階振型）是隔震前的約3.3倍。由此可見，結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震層，可有效降低地震發(fā)生時上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。根據(jù)《抗規(guī)》第12.2.5條，確定隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1 ＝βαmax/ψ= 0.201*0.21/0.85=0.0497。按“降一度”的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，綜合確定隔震后上部結(jié)構(gòu)采用的水平地震影響系數(shù)最大值αmax= 0.105。隔震層以上結(jié)構(gòu)，隔震前、后的層間剪力比值的平均值最大值為0.201，結(jié)構(gòu)整體振動周期及振型情況，如表2隔震前、后周期對比所示[2]。

表2 隔震前、后周期對比

由于結(jié)構(gòu)下部設(shè)置了隔震層，其層間剪切剛度小于上部結(jié)構(gòu)；并且，鋼結(jié)構(gòu)屋架整體質(zhì)量遠(yuǎn)小于一般樓層（Mgi/Mgi-1=0.06，Mqi/Mqi-1=0.09），結(jié)構(gòu)前3階振型整體表現(xiàn)為“平、平、扭”，自第7階振型開始，鋼屋架產(chǎn)生局部振動。在地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)屋架與主體結(jié)構(gòu)之間的相互影響較小，主要用于評估結(jié)構(gòu)整體的地震響應(yīng)及鋼屋架對下部混凝土結(jié)構(gòu)的影響。為較為準(zhǔn)確的計算分析鋼結(jié)構(gòu)屋架，采用其他軟件建立獨(dú)立的鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對比分析。

2.2 鋼屋架計算分析

采用3D3S、SAUSAGE進(jìn)行補(bǔ)充分析。比較YJK、3D3S和Sausage計算的結(jié)構(gòu)質(zhì)量及跨中A點(diǎn)位移，見下表所示。位移值與網(wǎng)殼的最大跨度比為1/466，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010中1/400的要求。結(jié)構(gòu)質(zhì)量及位移差值均＜5%，表明結(jié)構(gòu)模型中荷載及相關(guān)計算條件的是基本一致。

表3 YJK、3D3S、sausage質(zhì)量、位移對比

圖7 YJK整體模型樓層質(zhì)量比與樓層剪切剛度比

圖8 不同軟件位移計算結(jié)果

2.3 設(shè)計驗算結(jié)果

根據(jù)計算分析模型，進(jìn)行規(guī)范檢驗，檢驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計算要求，應(yīng)力比最大值小于0.90。

圖9 桿件“應(yīng)力比”三維示意圖

圖10 桿件“應(yīng)力比”分布圖

根據(jù)計算結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)屋架頂面與正立面相交位置節(jié)點(diǎn)應(yīng)力比較大（0.90），選取其進(jìn)行有限元分析。

圖11 節(jié)點(diǎn)位置頂面示意圖

圖12 節(jié)點(diǎn)位置立面示意圖

2.4 節(jié)點(diǎn)分析

采用ABAQUS驗算鋼結(jié)構(gòu)屋面中的典型節(jié)點(diǎn)。根據(jù)3D3S計算結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)屋架頂面與正立面相交位置節(jié)點(diǎn)應(yīng)力比較大，故選取其進(jìn)行有限元分析，見下圖，其中鋼梁為H型鋼，鋼柱為圓形鋼管。鋼材均采用Q355B。

最大荷載組合下，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖如下各圖。最大應(yīng)力均小于Q355鋼材的屈服應(yīng)力。最大荷載組合下，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)域均處于彈性工作狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。最大荷載組合作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力最大值為248MPa，小于Q355鋼材的屈服應(yīng)力。

圖13 典型節(jié)點(diǎn)有限元分析及結(jié)果

2.5 整體穩(wěn)定性分析

在重力荷載代表值組合下（1.0恒+0.5活），僅考慮構(gòu)件初始缺陷的情況，Sausage計算得到的屈曲因子ηcr為37.06＞安全系數(shù)K=4.2，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.4中的相關(guān)規(guī)定。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中公式5.1.6-2，二階效應(yīng)系數(shù)為0.027＜0.1，滿足規(guī)范要求，即可對鋼屋架采用一階彈性分析方法進(jìn)行計算[4]。

圖14 整體穩(wěn)定性分析計算結(jié)果

選取重力加載工況（1.0恒+1.0活）豎向位移最大位置166號節(jié)點(diǎn)，顯示荷載位移曲線，荷載與初始荷載的比值約為8＞安全系數(shù)K=2，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.4中的相關(guān)規(guī)定[5]。

2.6 抗連續(xù)倒塌設(shè)計

圖15 支撐構(gòu)件立面示意圖

對于鋼屋架中與主體結(jié)構(gòu)驗算中的關(guān)鍵桿件，考慮其可能失效對鋼結(jié)構(gòu)屋架的影響，故刪除鋼結(jié)構(gòu)屋架與主體結(jié)構(gòu)連接桿，鋼屋架在標(biāo)準(zhǔn)組合（1.0恒+1.0活）下的變形如圖 16 所示：

圖16 刪除關(guān)鍵桿件位移與桿件應(yīng)力結(jié)果三維示意圖

鋼屋架的豎向位移為81.78mm，位移值與網(wǎng)殼的最大跨度比為1/573，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010中1/400的要求；最大應(yīng)力比0.95＜1.0，即去掉約束后結(jié)構(gòu)滿足抗連續(xù)防倒塌設(shè)計。

3 結(jié)論

（1）針對某高烈度地區(qū)采用隔震設(shè)計的醫(yī)院建筑門診醫(yī)技樓及鋼屋架建立整體分析模型。經(jīng)比較，由于門診醫(yī)技樓下部設(shè)置隔震層，且頂部鋼結(jié)構(gòu)屋架整體質(zhì)量遠(yuǎn)小于一般樓層，與主體結(jié)構(gòu)之間的相互影響較小，因此建立獨(dú)立的鋼模型進(jìn)行分析。

（2）選取鋼結(jié)構(gòu)屋架頂面與正立面相交位置節(jié)點(diǎn)應(yīng)力比較大（0.90）位置采用ABAQUS進(jìn)行有限元分析，節(jié)點(diǎn)區(qū)域構(gòu)件均處于彈性工作狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

（3）在重力荷載代表值組合下（1.0恒+0.5活），僅考慮構(gòu)件初始缺陷的情況，Sausage計算得到的屈曲因子ηcr為37.06＞安全系數(shù)K=4.2，可對鋼屋架采用一階彈性分析方法進(jìn)行計算。

（4）按最低階整體屈曲模態(tài)考慮結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷（L／300），荷載與初始荷載的比值為8＞安全系數(shù)K=2，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.4中的相關(guān)規(guī)定。

（5）考慮鋼屋架與主體結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵桿件失效的情況，鋼屋架的豎向位移為81.78mm,1/573＜1/400，滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010的要求，去掉約束后結(jié)構(gòu)滿足連續(xù)防倒塌設(shè)計。