泰康同濟(武漢)醫(yī)院門診樓結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

王 雷，劉 博，董全利

(1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.西安建筑科技大學，北京 710055； 3.悉地(北京)國際建筑設(shè)計顧問有限公司，北京 100013)

1 工程概況

泰康同濟(武漢)醫(yī)院項目位于武漢市漢陽區(qū)四新北路與連通港西路交匯處。總建筑面積270 000 m2，其中地上建筑面積為180 000 m2，地下建筑面積90 000 m2。項目由3棟高層塔樓(A，B，C塔)及其相連裙房和門診樓、癌癥中心(D樓)、辦公樓(E樓)共同組成。滿鋪地下室2層，地下室底板頂標高為-10.300 m，項目整體效果見圖1。

A，B，C塔樓及裙房形成大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)，門診樓與A樓之間設(shè)防震縫，縫凈寬200 mm，形成獨立的結(jié)構(gòu)單元，門診樓平面位置及防震縫設(shè)置如圖2所示。本文主要針對門診樓及結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析及控制要點進行介紹。

門診樓平面呈“L”形，與其他塔樓共用整體地下室，地下共2層。L形X向采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上共4層，結(jié)構(gòu)高度20.40 m，混凝土框架最左端樓梯間處設(shè)置屈曲約束支撐(BRB)。L形Y向采用鋼框架結(jié)構(gòu)，地上共3層，結(jié)構(gòu)高度15.40 m。為滿足建筑立面效果，鋼框架外圍采用3層通高的X形斜柱?；炷量蚣軜巧w采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，鋼框架部分樓板采用壓型鋼板組合樓蓋，與混凝土部分在平面上連為整體。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

設(shè)計使用年限50 a，抗震設(shè)防類別：乙類；結(jié)構(gòu)安全等級：一級；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1[1]；抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度值0.10g。

設(shè)計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類，多遇地震下場地特征周期為0.45 s。地震影響系數(shù)取值：小震按規(guī)范和區(qū)劃圖取包絡(luò)值αmax=0.108，中震αmax=0.23，大震αmax=0.50[2]。抗震等級：混凝土框架二級；鋼框架三級，嵌固部位為地下2層頂面。

3 結(jié)構(gòu)體系

19軸左側(cè)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，19軸右側(cè)為鋼框架結(jié)構(gòu)，典型柱網(wǎng)為9 m×9 m。鋼框架內(nèi)部為圓形鋼管柱，外側(cè)采用X形交叉箱型斜柱，其中候診大廳正立面采用三層通高交叉箱型斜柱，交叉斜柱通過±0的混凝土轉(zhuǎn)換梁支撐。因交叉斜柱抗側(cè)剛度較大，在最左側(cè)混凝土框架部位局部設(shè)置屈曲約束支撐，以便減小整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[3]。結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示，正立面X形斜柱布置如圖4所示，X形斜柱施工期間的實景如圖5所示。

混凝土框架柱截面為800 mm×900 mm，800 mm×800 mm，混凝土樓蓋采用平行雙次梁布置，框架梁截面為600 mm×800 mm，400 mm×800 mm，次梁為300 mm×700 mm。內(nèi)部鋼框架柱采用圓形及箱型截面，典型尺寸為P600×18，P600×30，B600×600×22×22。鋼框架周邊X形斜柱尺寸為B600×400×22×22，B600×400×25×25。鋼框架樓蓋采用壓型鋼板組合樓蓋，樓蓋次梁采用單向次梁布置，次梁間距滿足壓型鋼板施工階段要求?；炷翉姸鹊燃?框架柱為C40，框架梁板C30，鋼梁鋼柱為Q345B。壓型鋼板型號采用閉口型YXB65-170-510(B)，厚度為1.2 mm，雙面鍍鋅總量不小于270 g/m2，地上各層樓板厚度均為120 mm。

地下1層頂板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土十字次梁體系，門診樓投影范圍內(nèi)板厚為160 mm，地下室覆土區(qū)域板厚為250 mm。地下1層頂板與車庫地下室頂板高差較大，相鄰處梁板采用加腋處理，見圖6。以避免門診樓地下1層框架柱形成極短柱，同時使地下室頂板可有效傳遞水平力；地下2層頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，采用主梁+大板體系，板厚為250 mm。

4 結(jié)構(gòu)分析

本項目為平面不同區(qū)域的混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，且存在樓板不連續(xù)、躍層斜柱，結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜。因此在初步設(shè)計及施工圖設(shè)計階段做了比較詳細的計算分析。

4.1 多遇地震反應(yīng)譜分析

計算軟件采用YJK 1.8.3，并用Etabs V9.7.4進行校核，選取地下室相關(guān)范圍進行整體分析。三維計算模型見圖7。

主要計算結(jié)果見表1，兩個軟件計算結(jié)果比較接近，模型分析結(jié)果是合理可靠的。

表1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

4.2 多遇地震彈性時程分析

本項目選用的多遇地震時程波參數(shù)見表2。

表2 時程波參數(shù)

將時程波峰值修正至35 gal，將三條時程波進行波譜擬合并與規(guī)范譜對比，多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在結(jié)構(gòu)主要振型周期點上相差不大于20%。單條(組)輸入時，各條波基底剪力滿足振型分解反應(yīng)譜法的0.65倍～1.35倍要求。多條(組)輸入時，各組基底剪力平均值滿足振型分解反應(yīng)譜法基底剪力的0.80倍～1.20倍的要求。

多遇地震時程分析X向基底剪力與Y向基底剪力與反應(yīng)譜分析的比較結(jié)果見表3。三條時程波的包絡(luò)樓層剪力分布與反應(yīng)譜分析總體差別不大，X向在3層以上時程分析比反應(yīng)譜分析略大1.5%～3.1%，全樓地震作用放大系數(shù)1.031；Y向在2層以上時程分析比反應(yīng)譜略大約2.7%～7.4%，全樓放大系數(shù)1.074。施工圖設(shè)計階段采用了反應(yīng)譜結(jié)果乘以地震作用放大系數(shù)的方法進行設(shè)計。

表3 多遇地震時程與反應(yīng)譜分析基底剪力對比

4.3 屈曲約束支撐(BRB)設(shè)置的必要性

門診樓結(jié)構(gòu)形式屬于鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，建筑平面呈“L”形，X向主體結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)，Y向附屬結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。為滿足建筑立面需求，鋼結(jié)構(gòu)框架外圍設(shè)置了較多的交叉斜柱，大幅度增強了結(jié)構(gòu)Y方向的抗側(cè)剛度，由于交叉斜柱偏置在結(jié)構(gòu)的右側(cè)，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯，未設(shè)置屈曲約束支撐時，地震作用下結(jié)構(gòu)另一端的位移較大，整體結(jié)構(gòu)的位移比難以滿足規(guī)范限值要求?；谝陨显?，在對右側(cè)鋼結(jié)構(gòu)斜撐及其頂部鋼梁節(jié)點進行弱化處理的基礎(chǔ)上，在左側(cè)結(jié)構(gòu)端部沿Y向設(shè)置了一榀屈曲約束支撐，用以增強左側(cè)端部框架的抗側(cè)剛度。

在小震作用下，有、無BRB框架結(jié)構(gòu)X方向的扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2，滿足規(guī)范限值的要求，但無BRB框架在Y方向的扭轉(zhuǎn)位移比為1.55，遠大于1.4，超過了規(guī)范限值的要求。有BRB框架Y方向的扭轉(zhuǎn)位移比為1.39，滿足規(guī)范要求。這表明BRB可有效控制結(jié)構(gòu)端部因結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移。BRB現(xiàn)場施工之后的照片見圖8。

4.4 罕遇地震下的靜力推覆分析

本項目采用PKPM2010計算軟件中的EPDA&PUSH模塊進行整體結(jié)構(gòu)靜力彈塑性推覆分析，靜力推覆參數(shù)如下：

初始荷載：1.0恒+0.5活；水平加載形式：矩形側(cè)向荷載，加載方向：X向，Y向；阻尼比：0.05。

影響系數(shù)最大值：0.5；場地特征周期：0.50 s。

塑性鉸定義及分配：

框架梁：采用M鉸，鉸的骨架曲線為FEMA類型；框架柱：采用P-M-M鉸，不考慮柱的軸向屈服，考慮軸向彎曲的相關(guān)性，鉸的骨架曲線為FEMA類型，見圖9。

各性能點對應(yīng)的破壞狀態(tài)的定性描述如下：

性能點IO：構(gòu)件只受到輕微破壞，無須修復(fù)即可繼續(xù)使用；性能點LS：構(gòu)件受到顯著破壞但尚不危及生命安全，修復(fù)后可繼續(xù)使用；性能點CP：構(gòu)件受到嚴重破壞即將出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)強度退化，已不可修復(fù)使用，但構(gòu)件尚能承受重力荷載而避免倒塌。

經(jīng)分析，X向彈塑性最大層間位移角1/200，產(chǎn)生于2層，Y向彈塑性最大層間位移角1/286，產(chǎn)生于2層頂。X向,Y向彈塑性層間位移角均小于抗震性能控制標準的彈塑性層間位移角限值1/110，結(jié)構(gòu)的X向,Y向?qū)娱g位移角均滿足彈塑性變形要求。

X向及Y向在性能點時的塑性鉸主要集中在框架梁上，少量柱處于IO-LS段柱鉸，沒有永久水平偏置，承載力完好。

4.5 交叉斜柱的屈曲分析

本項目鋼結(jié)構(gòu)框架主立面局部設(shè)置了交叉斜柱，按照受力情況分為有側(cè)向支承斜柱和無側(cè)向支承斜柱，其中有側(cè)向支撐斜柱平面內(nèi)與樓面梁、板相連并受到后者的平面外約束作用；無側(cè)向支承斜柱位于鋼結(jié)構(gòu)中庭周邊，中庭三層通高，高度約15.4 m，此部分斜柱平面外無樓面梁和板提供約束。

外圍護結(jié)構(gòu)采用單層拉索幕墻結(jié)構(gòu)體系，拉索的上下端分別錨固于交叉斜柱的底部和頂部，交叉斜柱因此承受了較大拉索預(yù)張力傳遞的壓力。交叉斜柱在拉索荷載和其他各種荷載組合作用下的剛度、承載力和穩(wěn)定性能直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全，對通高的交叉斜柱進行屈曲分析十分必要。

框架結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷代表值的最大值可取為H/250[4]，H為框架總高度，計算中最大缺陷值為150 mm?？紤]P-Δ效應(yīng)，組合系數(shù)采用1.0恒荷載+0.5活荷載。交叉斜柱底、頂梁上考慮幕墻拉索傳遞的壓力荷載，均布線荷載為175 kN/m，因幕墻拉索與結(jié)構(gòu)梁之間存在偏心，考慮交叉斜柱底、頂梁上作用均布扭矩為110 kN·m。

經(jīng)分析第一階線性屈曲的臨界荷載為38.5倍初始荷載，屈曲模態(tài)為交叉斜柱在X形平面外的屈曲，第一階屈曲模態(tài)見圖10。

4.6 樓板應(yīng)力分析

本工程門診樓主要樓板尺寸為X向125 m，Y向87 m，平面呈L形布置，且平面開有較多洞口。兩方向的尺寸均超出了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定的伸縮縫最大間距，需要對樓板進行溫度應(yīng)力分析。

根據(jù)當?shù)氐臍庀筚Y料，確定合理的后澆帶合攏溫度之后，溫差取值如下:升溫+20 ℃，降溫-25 ℃。在進行溫度應(yīng)力分析時，考慮了混凝土的徐變應(yīng)力松弛及混凝土構(gòu)件剛度退化的影響，將溫度作用乘以折減系數(shù)0.3，折減后溫差取升溫+6 ℃，降溫-8 ℃。首層頂板降溫工況下的應(yīng)力計算結(jié)果見圖11，圖12。

在降溫作用下，大部分樓板拉應(yīng)力值在1.0 MPa～2.0 MPa之間，樓板開洞及電梯井洞口周邊存在局部拉應(yīng)力集中區(qū)域，通過局部加強配筋并增加板厚解決。隨著樓層的增高，上部各層裙房樓板的溫度應(yīng)力均較首層頂板顯著降低。

4.7 樓板應(yīng)力分析

地震作用下樓板為水平力傳遞的主要構(gòu)件，樓板的完整性可確保鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。本項目平面開洞較多，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土交界部位樓板寬度十分有限，對結(jié)構(gòu)在交接部位樓板失效的情況下進行了補充計算，以便驗證鋼結(jié)構(gòu)部分是否具有獨立承擔地震作用的能力。采用ETABS計算模型，考慮門診樓連接部位局部樓板剛度退化，對鋼結(jié)構(gòu)部分的層間位移角進行了復(fù)核(按照鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值1/250控制)，樓板剛度退化范圍見圖13。經(jīng)計算當?shù)卣鹧豖,Y方向作用時，考慮連接部位樓板弱化后鋼結(jié)構(gòu)端部各層的層間位移角相比剛性樓板模型均有不同程度的增大，但層間位移角均滿足規(guī)范限值的要求。這表明鋼結(jié)構(gòu)部分在不依靠混凝土結(jié)構(gòu)的情況下，其結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度亦可滿足設(shè)計要求。

5 節(jié)點設(shè)計

本項目主立面交叉斜柱通過正負零轉(zhuǎn)換梁支撐，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸分為800 mm×1 800 mm,800 mm×2 650 mm兩種。交叉斜柱的柱腳節(jié)點是本項目設(shè)計的重點。斜柱柱腳采用剛接柱腳，考慮梁頂部縱筋密集，采用預(yù)埋鋼骨的柱腳做法施工較為困難，最終確定柱腳底部與轉(zhuǎn)換梁頂部采用預(yù)埋件進行連接，預(yù)埋件錨筋及錨板考慮柱腳的彎矩及剪力進行設(shè)計。做法見圖14，圖15。

內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)柱柱腳埋入地下1層混凝土柱內(nèi)，埋入深度3d。地下室柱截面為900 mm×900 mm，為了保證構(gòu)造要求，埋入段混凝土柱截面加大至1 100 mm×1 100 mm，鋼柱外側(cè)混凝土保護層厚度為250 mm。預(yù)埋段鋼柱周邊設(shè)置抗剪栓釘，埋入段鋼柱內(nèi)部灌注C40無收縮混凝土，具體做法見圖16。

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)交接部位，鋼梁與混凝土梁、柱采用預(yù)埋件連接，節(jié)點采用鉸接形式，典型做法如圖17所示。

6 結(jié)語

本項目已經(jīng)竣工并投入使用，為武漢抗擊2020年新冠疫情發(fā)揮了重要作用。門診樓X形交叉斜柱形成的候診大廳效果良好，竣工后的實景圖見圖18。

1)通過小震反應(yīng)譜、小震彈性時程分析，大震靜力推覆分析及對交叉斜柱的屈曲分析，本項目實現(xiàn)了設(shè)定的抗震性能目標。

2)X形交叉斜柱的柱腳節(jié)點是本工程的設(shè)計重點。

3)屈曲約束支撐對減小整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，效果十分明顯。

4)本項目樓板開洞較多，對鋼結(jié)構(gòu)與混凝土交接部位考慮樓板剛度退化情況進行補充計算十分必要，可以確保鋼結(jié)構(gòu)框架在地震下的獨立工作性能。