醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

程憶加，劉娜

（中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

醫(yī)院作為重要的公共設(shè)施，需要提供安全、便捷的通道連接各個(gè)建筑物、樓層和功能區(qū)域。而傳統(tǒng)的混凝土或磚石結(jié)構(gòu)連廊存在造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)、開放空間受限等問題。因此，研究醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，旨在突破傳統(tǒng)限制，提供更靈活、經(jīng)濟(jì)高效的連廊解決方案，提升醫(yī)院的運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)質(zhì)量，滿足現(xiàn)代醫(yī)療需求。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究，其中沈曉明[1]等提出了某柔性連接大跨鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)方法，從支座選型、結(jié)構(gòu)靜力和抗連續(xù)倒塌分析、樓蓋舒適度分析等角度出發(fā)，采用有限元方法對(duì)鋼連廊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。楊嘉胤[2]等提出了杭州某連體高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，該方法主要對(duì)連體、連廊方案進(jìn)行了比選，并采用YJK軟件對(duì)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性時(shí)程分析和舒適度分析。除了上述方法之外，還有學(xué)者提出使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，如3D建模進(jìn)行三維建模，以精確模擬和分析結(jié)構(gòu)行為。

雖然上述技術(shù)均取得了一定的研究成果，但是在結(jié)構(gòu)柱位移控制方面仍然具有一定的局限性，為此本文提出一種醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)及施工技術(shù)。該技術(shù)從臨時(shí)提升支架布置、桁架焊接、操作平臺(tái)搭設(shè)等方面，將醫(yī)院連廊結(jié)構(gòu)的功能布局、空間模式進(jìn)行整體性優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)柱的位移得到了明顯降低。

1 醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)及施工

1.1 醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊包括鋼結(jié)構(gòu)拉桿、主桁架、次桁架、支承鋼筋、連廊鋼筋、連廊鋼梁、承板配筋等結(jié)構(gòu)組成。連廊鋼筋設(shè)計(jì)在支承鋼筋斜上方45°的位置，連廊鋼梁設(shè)計(jì)在連廊屋面頂梁的位置，每個(gè)鋼梁外間距10mm的位置設(shè)計(jì)兩個(gè)承板配筋，與鋼梁結(jié)構(gòu)共同支撐連廊頂板壓力。鋼結(jié)構(gòu)拉桿與連廊主桁架焊接在一起，以斜向上30°的角度焊接，與連廊主桁架形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。次桁架與主桁架以對(duì)角線的形式焊接，承受連廊大部分壓力。在主桁架與次桁架下方設(shè)計(jì)角鐵，并焊接支承鋼筋，支承鋼筋設(shè)計(jì)間距在50cm左右，與主桁架、次桁架共同承受連廊施加的壓力。

1.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工技術(shù)

1.2.1 布置醫(yī)院連廊大跨度鋼結(jié)構(gòu)拉桿

本文將連廊桁架結(jié)構(gòu)拼裝完成，拼裝范圍包括樓面梁與樓承板。將鋼結(jié)構(gòu)連廊整體提升到標(biāo)高的位置，確保連廊結(jié)構(gòu)重心與平面中心位置接近。鋼結(jié)構(gòu)連廊在屋面標(biāo)高位置，將鋼結(jié)構(gòu)拉桿的斜撐端與鋼結(jié)構(gòu)柱梁與支架橫梁相連接，避免連廊提升受到障礙物的影響[3-5]。再將拉桿與柱底端連接，確保拉桿結(jié)構(gòu)的支承效果。隔震支座預(yù)留空間在2.5m×2.5m的矩形區(qū)域，鋼結(jié)構(gòu)連廊的主體結(jié)構(gòu)的拉桿連續(xù)布置，橫向跨越塔樓，截面形式以箱型為主。鋼結(jié)構(gòu)拉桿的橫梁面標(biāo)高約為62.2m，外伸長(zhǎng)度約為3 400mm。在拉桿的外伸末端，布置多個(gè)圓孔。在圓孔部位布置TJJ-2000kN的液壓提升裝置。鋼結(jié)構(gòu)拉桿的斜撐、橫梁與連廊連接，并搭接在型鋼混凝土柱上的圓孔上。鋼結(jié)構(gòu)拉桿與型鋼混凝土柱以接焊縫的形式焊接，確保鋼結(jié)構(gòu)拉桿的穩(wěn)定性。鋼結(jié)構(gòu)拉桿布置情況如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)拉桿布置示意圖

如圖1所示，在兩根型鋼混凝土柱之間的軸上斜向上布置鋼結(jié)構(gòu)拉桿，拉桿、連廊、型鋼混凝土柱形成一個(gè)直角三角形，使拉桿更加穩(wěn)定。拉桿為H600mm×450mm×20mm×30mm，材質(zhì)采用Q345C。鋼結(jié)構(gòu)拉桿與型鋼混凝土柱的連接、連廊與型鋼混凝土柱的連接、拉桿與連廊之間的連接，均采用焊縫對(duì)接，使拉桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高。在裙樓屋面上搭接鋼結(jié)構(gòu)拉桿，并采用螺栓固定[6-8]。在鋼結(jié)構(gòu)拉桿與連廊之間傾斜角度為30°～45°的范圍內(nèi)，連廊與型鋼混凝土柱保持在同一水平面的條件下，完成鋼結(jié)構(gòu)連廊桁架的焊接。

1.2.2 焊接大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊桁架

大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的焊接作業(yè)包括桁架、框架、屋頂圍護(hù)結(jié)構(gòu)、各個(gè)桿件的對(duì)接焊接。本次工程采用了平焊、立焊、橫焊等形式，針對(duì)不同復(fù)雜形式結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接，避免焊接量大出現(xiàn)的桁架形變問題。在焊接的過程中，風(fēng)速在2m/s左右進(jìn)行施工，手工電弧施工的風(fēng)速低于8m/s，并未出現(xiàn)焊縫氣孔的問題。為了保證焊縫施工質(zhì)量，本次工程控制在晴好天氣施工。在施工進(jìn)度較慢時(shí)，為了追趕工期，本文在焊縫區(qū)域采取了必要的防護(hù)措施，確保焊縫施工質(zhì)量。本文根據(jù)鋼柱的實(shí)際位置，在焊接之前進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在100℃～150℃之間，預(yù)熱范圍在焊縫位置的100～150mm。焊接過程中，連廊梁柱的內(nèi)力變化情況如表1所示。

表1 連廊梁柱內(nèi)力最大值匯總表

如表1所示，在醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工的過程中，下弦桿的最大應(yīng)力比為0.13，最大剪應(yīng)力比為0.06，整體穩(wěn)定應(yīng)力比為0.03，滿足連廊設(shè)計(jì)要求。鋼結(jié)構(gòu)的焊接工作量往往超過工人的工作時(shí)間，本文采取了輪流作業(yè)的方式，各個(gè)工人焊接技術(shù)過硬，能夠保證焊縫一次性完成。在鋼桁架焊接的過程中，其屈服強(qiáng)度＞345MPa，焊接厚度＞30mm。本文采用了電加熱的方式，處理溫度設(shè)定在150℃～200℃之間，焊縫溫度達(dá)到室內(nèi)溫度之后，完成鋼桁架的焊接操作。

1.2.3 搭設(shè)醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊支承鋼筋

在基本荷載的條件下，鋼桁架結(jié)構(gòu)腹桿與下弦桿承受了連廊格構(gòu)柱的豎向壓力，連廊格構(gòu)柱容易出現(xiàn)形變問題。本文將連廊格構(gòu)柱之間的間距設(shè)定為9 000mm，將腹桿與下弦桿的連接位置設(shè)定為6 000mm以內(nèi)。選用H300mm×200mm×20mm×20mm的橫綴條，并設(shè)置一個(gè)能夠懸挑4 000mm長(zhǎng)度的V字形加強(qiáng)節(jié)，承受格構(gòu)柱在支撐連系梁位置的壓力。在格構(gòu)柱底端布置的加強(qiáng)節(jié)布置1 350mm×1 350mm×50mm的鋼板，預(yù)埋HRB400鋼筋，鋼筋直徑為25mm，共25根，使支承鋼筋能夠承受格構(gòu)柱頂端的豎向承載力，滿足連廊基地承載需求。支承鋼筋與連廊主桁架的斜截面、混凝土柱、梁相交，連廊的整體壓力由其下鋼筋承擔(dān)。支承鋼筋布置剖面如圖2所示。

圖2 支承鋼筋布置示意圖

如圖2所示，支承鋼筋布置在連廊下方，格構(gòu)柱、鋼結(jié)構(gòu)梁均成為連廊結(jié)構(gòu)的有效支撐點(diǎn)。在格構(gòu)柱標(biāo)高55.550m的位置上，設(shè)置四條長(zhǎng)度為27 000mm，寬度為1 000mm的支承鋼筋，鋼筋底部用75×5角鋼，與鋼桁架焊接。在桁架高度為1 500mm的位置，布置錨筋，錨固長(zhǎng)度為15d。此時(shí)，對(duì)連廊的抗剪承載力Nv進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式（1）中，nf為連廊連接構(gòu)件受到的最大剪力；μ為滑移操作平臺(tái)的傳力摩擦面系數(shù)；P為移動(dòng)操作平臺(tái)承受的最大應(yīng)力。計(jì)算出Nv之后，在連廊兩端的塔樓上同時(shí)向連廊中部方向?qū)ΨQ施工，在連廊上布置多個(gè)吊裝節(jié)點(diǎn)，構(gòu)件與預(yù)埋鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接后，水平吊裝連廊，從而滿足大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的安全施工需求。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的施工技術(shù)是否滿足醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)需求，本文以X醫(yī)院為例，對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行了實(shí)例分析。X醫(yī)院是某市第一人民醫(yī)院，是首批三級(jí)甲等綜合醫(yī)院，集醫(yī)療、教學(xué)、科研于一體，滿足醫(yī)院建設(shè)的綜合需求。X醫(yī)院本部位于一號(hào)路，占地面積約為1.625×105m2。醫(yī)院整體東西長(zhǎng)約400m，南北長(zhǎng)約200m，呈東西向線性布局，跨度較大。醫(yī)院內(nèi)部設(shè)有門急診樓、外科大樓、內(nèi)科大樓、影像大樓、住院部等。為了方便住院部患者進(jìn)行身體檢查，X醫(yī)院在住院部與影像樓、內(nèi)科大樓之間建設(shè)了連廊，避免患者乘坐電梯上下樓出現(xiàn)磕碰的問題。醫(yī)院連廊結(jié)構(gòu)情況如圖3所示。

圖3 X醫(yī)院連廊整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖3所示，連廊結(jié)構(gòu)是由高度約為200m的3棟住院部、影像樓、內(nèi)科大樓組成，鋼結(jié)構(gòu)連廊的長(zhǎng)度約為300m，位置高度約為190m，跨越并支撐于塔樓1、2、3的屋面。X醫(yī)院鋼結(jié)構(gòu)連廊的24個(gè)隔震支座分別安裝在1、2、3塔樓的屋面。塔樓1為影像樓，塔樓2為住院部，塔樓3為內(nèi)科大樓。為了滿足連廊的施工質(zhì)量要求，本文在住院部、影像樓、內(nèi)科大樓的塔樓選擇多個(gè)位置，布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)地下部分組合柱的影響，測(cè)定混凝土、鋼管的協(xié)同形變能力。給定連廊的最大、最小應(yīng)力變化范圍與結(jié)構(gòu)柱縱向最大位移，最終的施工質(zhì)量指標(biāo)越滿足設(shè)計(jì)需求，連廊設(shè)計(jì)施工質(zhì)量越佳。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在2.1的施工條件下，本文隨機(jī)選取出了8個(gè)連廊設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。結(jié)合醫(yī)院連廊實(shí)際施工情況，劃分出各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力范圍、Z向最大位移。將其作為施工驗(yàn)收指標(biāo)。并將本文設(shè)計(jì)的醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工技術(shù)的最大應(yīng)力、最小應(yīng)力、Z向位移作為對(duì)照指標(biāo)，與驗(yàn)收指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)照指標(biāo)滿足驗(yàn)收指標(biāo)需求之后，即可確保本次連廊設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。應(yīng)用結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)用結(jié)果

如表2所示，Z向位移是連廊結(jié)構(gòu)柱的縱向位移。對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工而言，連廊的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)柱的位移監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。在應(yīng)力范圍之內(nèi)，連廊的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力在±10MPa以內(nèi)，即可確保連廊應(yīng)力能夠符合實(shí)際施工需求，單體部位不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力影響。Z向位移則需要低于連廊施工的Z向最大位移，在最大位移的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)柱的縱向位移越小，醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的施工質(zhì)量越佳。

本文在連廊設(shè)計(jì)區(qū)域布置了8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)與位移監(jiān)測(cè)。在其他條件均已知的情況下，醫(yī)院連廊的最大應(yīng)力在55～155MPa的范圍內(nèi)波動(dòng)；最小應(yīng)力在-206～-70MPa的范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見，使用本文設(shè)計(jì)的醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊施工技術(shù)之后，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力均在應(yīng)力±10MPa的范圍內(nèi)，Z向位移均在15mm以內(nèi)，較之Z向最大位移降低了10～40mm，可以確保連廊結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，滿足醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)與施工需求。

3 結(jié)論

醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)是一個(gè)關(guān)乎醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和效率的重要領(lǐng)域，本文提出一種新的醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)及施工技術(shù)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）該技術(shù)涵蓋了大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)與施工的各個(gè)層面，如臨時(shí)提升支架布置、桁架焊接、操作平臺(tái)搭設(shè)等，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更加全面、完善。

（2）本文設(shè)計(jì)技術(shù)能夠保證結(jié)構(gòu)柱位移較低，滿足醫(yī)院大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)與施工需求。

通過應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和創(chuàng)新的方法，可以實(shí)現(xiàn)快速、高效、可持續(xù)的連廊建設(shè)，提供安全、便捷、舒適的通道連接各個(gè)醫(yī)療設(shè)施，為患者和醫(yī)護(hù)人員提供更好的環(huán)境和條件。