江蘇省康復(fù)醫(yī)院木-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與分析*

王深山, 宗 超, 翟家駿, 程小武, 汪 棟, 孫小鸞

(1 中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410082；2 南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211806)

1 工程概況

江蘇省康復(fù)醫(yī)院位于南京市溧水區(qū),總建筑面積約208000m2,其中地上部分建筑面積約146000m2,地下部分建筑面積約62000m2,是目前國內(nèi)規(guī)模較大、定位標(biāo)準(zhǔn)較高的世界一流康復(fù)專科醫(yī)院。項(xiàng)目建筑包括門診醫(yī)技綜合樓與住院樓兩部分,項(xiàng)目整體效果圖如圖1所示,門診醫(yī)技綜合樓位于中央部分,周圍六座發(fā)散狀單體為住院樓。門診醫(yī)技綜合樓采用木-混凝土混合結(jié)構(gòu),建筑共8層,1～5層為門診醫(yī)技區(qū),采用混凝土框架結(jié)構(gòu),其中1層層高5.4m,2～5層層高4.5m;6層為混凝土架空層,層高3.7m,用于屋頂花園及設(shè)備間功能;7、8層為科研辦公區(qū),層高4.1m,采用膠合木梁柱+正交膠合木(CLT)組合樓蓋+混凝土框架的混合結(jié)構(gòu)體系,該結(jié)構(gòu)體系在國內(nèi)應(yīng)用較為少見,具有一定的創(chuàng)新性。

圖1 項(xiàng)目整體效果圖

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程結(jié)構(gòu)安全等級為一級,抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組;建筑場地類別為Ⅱ類,特征周期為0.35s;設(shè)計(jì)使用年限為50年。

混凝土框架柱截面主要為600×600、700×700、800×800等;框架主梁截面寬度為300、400mm,截面高度600～800mm;次梁截面寬度200mm,截面高度400～600mm?；炷林鶑?qiáng)度等級:1層為C55,頂部3層為C30,中間樓層根據(jù)受力需求強(qiáng)度等級取C35～C50。混凝土梁板強(qiáng)度等級均為C30。

本工程選用TCT32強(qiáng)度等級的膠合木,其性能參數(shù)見表1,膠合木梁柱采用優(yōu)質(zhì)落葉松制作,木材外觀等級考慮木構(gòu)件外露采用一級,膠合木梁柱構(gòu)件截面參數(shù)見表2。樓(屋)面板選用結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異、外觀質(zhì)量等級為一級的CLT,強(qiáng)度等級為C20,其性能參數(shù)如表3所示,層板采用云杉制作。鋼板連接件采用Q235B,螺栓采用普通4.8級,熱鍍鋅處理;鋼銷采用不銹鋼材質(zhì)。

表1 膠合木強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及彈性模量/MPa

表2 膠合木梁柱構(gòu)件截面參數(shù)

表3 正交膠合木C20的強(qiáng)度及彈性模量/MPa

1.2 結(jié)構(gòu)特色

本工程采用了木-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系,標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示,其中,混合結(jié)構(gòu)體系豎向與水平的布置方式示意圖分別見圖3、4。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 混合結(jié)構(gòu)體系豎向布置方式示意圖

圖4 混合結(jié)構(gòu)體系水平布置方式示意圖

混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)及防火性能,而木結(jié)構(gòu)材質(zhì)輕,在抗震、環(huán)保、節(jié)能和施工效率方面優(yōu)勢顯著,項(xiàng)目將木與混凝土兩者特性有效融合,充分發(fā)揮了兩種材料的性能優(yōu)勢。在頂部兩層水平混合結(jié)構(gòu)體系中,木結(jié)構(gòu)部分僅承擔(dān)所在區(qū)域的豎向載荷,不設(shè)置抗側(cè)墻體,結(jié)構(gòu)通透、利于使用;建筑核心區(qū)域以及樓梯間區(qū)域采用的混凝土框架則同時(shí)承擔(dān)樓層所有的水平作用及所在區(qū)域的豎向荷載。為有效地將木結(jié)構(gòu)部分的地震作用傳遞至混凝土框架,木結(jié)構(gòu)區(qū)域采用了CLT組合樓蓋。該樓蓋在CLT樓板頂部鋪設(shè)拉結(jié)鋼板條,并采用自攻螺釘固定,再澆注50mm厚的細(xì)石混凝土層,確保地震作用下結(jié)構(gòu)各部分的協(xié)同工作。CLT組合樓蓋構(gòu)造及布置如圖5所示。

圖5 CLT組合樓蓋鋼板條布置及構(gòu)造

木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)均采用裝配式連接方式,柱腳處采用十字鋼插板,銷栓連接;梁柱節(jié)點(diǎn)采用帶托板的雙填板螺栓連接,梁端鋼托板底部采用阻燃木板防火封堵,木結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)示意如圖6所示。

圖6 木結(jié)構(gòu)典型連接節(jié)點(diǎn)示意圖

2 整體有限元分析及結(jié)果

2.1 分析模型與荷載工況

采用MIDAS Gen建立結(jié)構(gòu)整體有限元分析模型,如圖7所示,其中,木結(jié)構(gòu)梁柱按梁單元模擬,木結(jié)構(gòu)樓(屋)面板按彈性板考慮;木柱與混凝土柱之間按鉸接處理;考慮到施工與使用中木結(jié)構(gòu)與混凝土區(qū)域交接處存在豎向變形差異,將木梁與混凝土支座按鉸接考慮;首層混凝土柱考慮在地下室頂板嵌固,支座按固接考慮。地震作用分析采用振型分解反應(yīng)譜法,木材與混凝土兩種材料選用不同的阻尼比[1-5],采用應(yīng)變能因子法[6]得到結(jié)構(gòu)各振型阻尼比分布情況,最終整體分析中結(jié)構(gòu)阻尼比取0.045。結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮荷載組合工況見表4。

表4 荷載組合工況

圖7 有限元分析模型

2.2 整體指標(biāo)結(jié)果

采用特征值分析法對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)前4階振型對應(yīng)的周期見表5,結(jié)構(gòu)振型如圖8所示。結(jié)構(gòu)前兩階振型以平動(dòng)為主,第3階振型以扭轉(zhuǎn)為主,且第3階扭轉(zhuǎn)周期與第1階平動(dòng)周期比為0.89,小于0.9,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度滿足《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51226—2017)第6.2.6條要求。

表5 結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性

圖8 結(jié)構(gòu)振型圖

考慮5%的偶然偏心時(shí),X向地震作用下的樓層最大層間位移與平均位移的比值見表6;Y向地震作用下的樓層最大層間位移與平均位移的比值見表7?？梢?在X、Y向地震作用下,結(jié)構(gòu)的最大層間位移與平均位移之比基本小于規(guī)范要求的1.2限值。

表6 X向地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移與平均位移比

表7 Y向地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移與平均位移比

2.3 木結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

對照表4的荷載組合工況,木構(gòu)件包絡(luò)分析應(yīng)力如圖9、10所示。木柱應(yīng)力最大值約為12.7MPa,木梁應(yīng)力最大值約為15.6MPa,構(gòu)件截面尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 木柱包絡(luò)應(yīng)力/MPa

圖10 木梁包絡(luò)應(yīng)力/MPa

3 CLT樓板驗(yàn)算

本工程7層的樓蓋及屋蓋中結(jié)構(gòu)樓板采用CLT,7層CLT樓板厚度為140mm,屋面CLT板厚度選用180mm,均為5層層板膠合,層板選用歐洲進(jìn)口1級云杉。以140mm厚CLT樓板為例,分別驗(yàn)算CLT樓板的強(qiáng)度、撓度、樓蓋振動(dòng)以及抗火等內(nèi)容。

3.1 樓板強(qiáng)度驗(yàn)算

CLT樓板層板分層為40l-20w-20l-20w-40l,其中,l表示順紋方向,w表示橫紋方向,數(shù)字表示厚度。根據(jù)荷載組合取最不利值進(jìn)行截面驗(yàn)算。樓板計(jì)算寬度為1000mm,計(jì)算跨度選取典型跨度2800mm。CLT樓板板材調(diào)整后的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取11.92N/mm2。

根據(jù)CLT技術(shù)指南[7],按式(1)～(4)進(jìn)行CLT樓板的彎曲應(yīng)力σd以及抗剪強(qiáng)度τd驗(yàn)算:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Md為設(shè)計(jì)彎矩;Wx,net為CLT樓板的凈截面抗彎截面模量;Vd為設(shè)計(jì)剪力;Sx,net為CLT樓板凈截面的靜矩;Ix,net為CLT樓板凈截面慣性矩;hCLT為CLT樓板的厚度;bx為CLT樓板的寬度;t1、t3、t5分別為第1、3、5層層板的厚度;a1、a3、a5分別為第1、3、5層層板中心到CLT樓板中性軸的距離。

計(jì)算求得,樓板跨中彎曲應(yīng)力為6.31N/mm2,彎曲應(yīng)力比為0.53;樓板支座處剪應(yīng)力為0.21N/mm2,剪應(yīng)力比為0.33,均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 樓板撓度驗(yàn)算

永久荷載作用下最終變形ωfin,G可表示為式(5):

ωfin,G=ωinst,G+ωcreep,G=ωinst,G(1+kdef)

(5)

第i個(gè)可變荷載作用下最終變形ωfin,Qi可表示為式(6):

ωfin,Qi=ωinst,Qi+ωcreep,Qi=ωinst,Qi(1+ψ2,ikdef)

(6)

式中:ψ2，i為可變作用準(zhǔn)永久值系數(shù);kdef為蠕變系數(shù)。

根據(jù)式(6)求得樓板最終撓度為9.72mm,小于容許撓度L/250,樓板使用階段剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 樓蓋振動(dòng)驗(yàn)算

按CLT樓板上覆蓋混凝土形成的組合樓蓋進(jìn)行樓板振動(dòng)頻率驗(yàn)算,樓板阻尼比對照表8取2.5%。

表8 不同CLT組合樓蓋的阻尼比[7]

(7)

式中:(EI)L為樓蓋強(qiáng)軸方向的抗彎剛度;m為每平方米樓蓋的質(zhì)量。

考慮CLT樓板頂部混凝土面層貢獻(xiàn),根據(jù)式(7)求得樓蓋振動(dòng)頻率為8.34Hz,滿足設(shè)計(jì)要求。

樓蓋脈沖速度響應(yīng)是評價(jià)振動(dòng)造成不適感的一個(gè)不完全指標(biāo)。脈沖速度響應(yīng)的允許值取決于樓蓋的基頻和阻尼,但應(yīng)盡可能低?；l不高于40Hz的1階振型的數(shù)量n40按式(8)計(jì)算:

(8)

式中:B為樓蓋寬度;(EI)B為垂直于強(qiáng)軸方向的抗彎剛度。

脈沖速度響應(yīng)按式(9)驗(yàn)算:

(9)

根據(jù)式(9)計(jì)算得到脈沖速度響應(yīng)為0.00148。根據(jù)CLT技術(shù)指南[7]確定脈沖速度響應(yīng)限值為b(f1ζ-1)=100(6.34×2.5%-1),其中ζ為阻尼比,b取100m/(N·s2),故脈沖速度響應(yīng)滿足要求。

3.4 樓板抗火驗(yàn)算

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)的截面削弱法,結(jié)合歐洲規(guī)范EN 1995-1-2[9]理論進(jìn)行CLT樓板的抗火設(shè)計(jì),CLT樓板的耐火極限為1.5h,板底涂刷防火涂料。經(jīng)計(jì)算,火災(zāi)情況下CLT樓板分層為40l-12.6w。

燃燒后的樓板截面有效慣性矩I0,fi按式(10)計(jì)算:

(10)

式中:di為第i層層板的厚度;ai為第i層層板中心到CLT樓板中性軸的距離。

C語言是一種面向過程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言，而循環(huán)結(jié)構(gòu)是三大基本結(jié)構(gòu)(順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu))中最重要、最復(fù)雜、最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。學(xué)好循環(huán)結(jié)構(gòu)是學(xué)好C語言課程的關(guān)鍵，它是學(xué)好數(shù)組、指針、函數(shù)等內(nèi)容的基礎(chǔ)和前提。在日常工作和生活中通過循環(huán)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以很方便地解決許多問題。例如，求全班學(xué)生課程的總成績和平均成績；求任意兩個(gè)正整數(shù)的最大公約數(shù)和最小公倍數(shù)；九九乘法表的打印輸出等。本文將結(jié)合作者多年教授程序設(shè)計(jì)語言的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從課程背景、教學(xué)對象與教學(xué)現(xiàn)狀分析、教學(xué)組織實(shí)施實(shí)踐等幾個(gè)方面來對循環(huán)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行探討。

燃燒后的樓板凈抗彎截面模量Wx,net,fi按式(11)計(jì)算:

(11)

式中:Z0,σ為CLT樓板下表面到中和軸的高度;Z0,u為CLT樓板上表面到中和軸的高度。

考慮火災(zāi)的偶然性特征,荷載分項(xiàng)系數(shù)取0.6,得出火災(zāi)工況下CLT樓板截面彎矩設(shè)計(jì)值為2.88kN·m,樓板考慮火災(zāi)時(shí)的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fm,fi式(12)計(jì)算,為22.20MPa。

(12)

式中:kfi為由5分位值到20分位值的轉(zhuǎn)換系數(shù),對于正交膠合木,取1.15;kmod,fi為火災(zāi)條件下持續(xù)作用效應(yīng)和含水率調(diào)整系數(shù),采用截面削弱法計(jì)算時(shí),取1.0;fm,k為CLT樓板的抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;γM,fi為火宅時(shí)木材的材料分項(xiàng)系數(shù),取1.0。

經(jīng)驗(yàn)算,火災(zāi)時(shí)構(gòu)件彎曲應(yīng)力為14.20MPa,強(qiáng)度利用率為0.64,抗火滿足要求。

4 梁柱抗火與整體消防設(shè)計(jì)

4.1 膠合木梁柱抗火設(shè)計(jì)

針對本工程膠合木梁柱或正交膠合木樓板,其耐火機(jī)理均依靠木材在燃燒時(shí)表面產(chǎn)生炭化層來延阻木材燃燒的速度,利用耐火極限時(shí)間后的有效剩余截面來抵抗外荷載,實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的抗火設(shè)計(jì)。

根據(jù)《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51226—2017)要求,本工程膠木柱耐火極限取2.5h,膠合木梁耐火極限取2.0h,梁柱抗火設(shè)計(jì)時(shí)不考慮防火漆耐火極限,只考慮木構(gòu)件自身的耐火極限。依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)第十章規(guī)定,通過計(jì)算得出2.5h耐火極限的有效炭化層厚度def=96mm,2.0h耐火極限的有效炭化層厚度def=80mm。

經(jīng)計(jì)算,本工程所采用主要構(gòu)件考慮四面受火削弱后截面尺寸見表9。

表9 膠合木構(gòu)件受火后截面尺寸

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50005—2017)中10.1.3條規(guī)定,殘余構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算時(shí),構(gòu)件材料的強(qiáng)度和彈性模量采取平均值。膠合木材料強(qiáng)度和彈性模量調(diào)整后的結(jié)果見表10。

表10 抗火設(shè)計(jì)時(shí)膠合木強(qiáng)度調(diào)整值/MPa

考慮膠合木受火截面削弱后,采用COMB-8的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行受火后的構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果均在安全范圍內(nèi)。

4.2 消防設(shè)計(jì)

本工程建筑總層數(shù)為8層,建筑總高度為34.8m。主體建筑按照一類高層公共建筑采取消防安全措施,局部采用混凝土結(jié)構(gòu)與重型木結(jié)構(gòu)組合建造,下部1～5層門診醫(yī)技區(qū)及6層架空層采用混凝土結(jié)構(gòu)建造,7、8層科研辦公部分采用木制品和木結(jié)構(gòu)體系建造,兩者之間采取耐火極限不低于1.5h混凝土樓板進(jìn)行防火分隔。7、8層兩層每層分為4個(gè)防火分區(qū),每個(gè)防火分區(qū)建筑面積不大于1800m2,每個(gè)防火分區(qū)設(shè)有不少于2個(gè)安全出口;7、8層設(shè)6部疏散樓梯,疏散寬度、疏散距離均滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50016—2014)要求,7層防火分區(qū)如圖11所示。

圖11 7層防火分區(qū)示意圖

同時(shí),本工程采取一系列附加消防措施,提升建筑防火儲(chǔ)備。木柱、木梁、CLT樓板、屋面板等承重構(gòu)件均涂刷防火涂料,燃燒性能達(dá)到難燃要求。通過抗火設(shè)計(jì),木結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足耐火極限梁柱(≥2h)、樓板(1.5h)要求。全樓設(shè)置了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)(噴淋)、消火栓系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、機(jī)械防排煙系統(tǒng)。排風(fēng)機(jī)房,強(qiáng)弱電間等特殊位置加強(qiáng)防火構(gòu)造措施,墻體采用輕鋼龍骨外覆防火石膏板內(nèi)填巖棉(耐火極限≥2h),并做防火吊頂,房間內(nèi)外露的木梁木柱均外覆12mm厚防火石膏板處理。

5 BIM技術(shù)應(yīng)用

全面引入了BIM技術(shù),對項(xiàng)目建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等全專業(yè)進(jìn)行建模,利用BIM技術(shù)可視化、參數(shù)化的特點(diǎn),解決木-混凝土結(jié)構(gòu)混合建造中所面臨的各類問題[10],并將BIM技術(shù)介入設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和管理的各個(gè)階段,實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的全生命周期管理,建筑總體BIM模型見圖12。

圖12 工程BIM模型

利用BIM技術(shù)對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬,通過工廠預(yù)制加工、現(xiàn)場組裝的建造模式,建造周期縮短,施工效率提高,施工成本減小。木-混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接都是通過定制的鋼板連接件連接,通過BIM技術(shù)對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì),精準(zhǔn)定位構(gòu)件中預(yù)留孔洞的位置,保證后期加工安裝的準(zhǔn)確性。工程交底以圖紙為主、三維模型為輔的模式進(jìn)行,方便對施工工藝的全面理解,提高現(xiàn)場施工的準(zhǔn)確性,BIM深化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如圖13所示。

圖13 BIM深化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

同時(shí)應(yīng)用BIM技術(shù)對施工過程中的設(shè)備運(yùn)輸及安裝路徑進(jìn)行模擬,從而找出最優(yōu)運(yùn)輸路徑,并展示各個(gè)階段完整運(yùn)輸流程,提前對設(shè)備路徑上的墻體預(yù)留進(jìn)行分析,減少各方配合誤差,提高安裝效率,輔助現(xiàn)場方案決策。設(shè)備運(yùn)輸及安裝路徑模擬如圖14所示。

圖14 設(shè)備運(yùn)輸及安裝路徑模擬

在機(jī)電深化設(shè)計(jì)中,充分利用BIM技術(shù)進(jìn)行管線綜合,在基于滿足設(shè)計(jì)功能的前提下,以整齊、簡短的原則優(yōu)化排布各專業(yè)管線,以最小的成本達(dá)到了美觀實(shí)用的效果。

6 結(jié)語

江蘇省康復(fù)醫(yī)院在豎向和水平向均采用的木-混凝土混合結(jié)構(gòu)形式,充分發(fā)揮了木材與混凝土材料的性能優(yōu)勢。本文從結(jié)構(gòu)整體性能、CLT組合樓蓋強(qiáng)度與舒適性、木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)與消防設(shè)計(jì)以及BIM技術(shù)的應(yīng)用等方面進(jìn)行闡述與分析,相關(guān)設(shè)計(jì)分析方法可為雙碳戰(zhàn)略下多高層裝配式木結(jié)構(gòu)建筑以及木-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造提供借鑒。