某醫院內科病房綜合樓結構概念設計的應用

吳文學

1 工程概況

本工程位于鄭州大學第二附屬醫院西南轉角處,項目總建筑面積約45 354 m2,地上主體 26層,地下2層,建筑自室外地坪到主要屋面板頂高度為99.4 m;地下2層為甲6級人防,地下室1層為地下停車庫;地下2層層高為 6.0 m,地下1層層高為5.1 m;地面以上為藥房、護理用房、設備用房等,1層層高為4.8 m,2層～5層層高均為4.1 m,設備層2.2 m,6層～25層層高均為3.6 m,26層層高為4.0 m。北側樓層外挑層數為1層～26層,外挑寬度為3.75 m,下部樓層寬度與上部樓層寬度之比為22.75/26.5=0.85＜0.9,屬豎向不規則結構。

建筑結構的安全等級為二級。結構設計使用年限為50年。工程抗震設防類別為乙類,工程建筑抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.15g,地震設計分組為第一組,場地類別:Ⅱ類,場地特征周期為0.35 s。

2 整體初步設計

在高層建筑中,傾覆力矩是一個很重要而且必須關注的問題,一方面要盡可能采用大跨度的樓蓋結構體系,取消內柱,以加寬抗傾覆力矩的力臂;另一方面應盡可能地將樓蓋所承受的重量直接傳給最外邊緣的抗傾覆力矩的豎向構件,這樣就可能以預壓力來平衡(或減少)傾覆力矩所產生的軸向拉力。本工程北側樓層由于場地限制,為了充分利用空間,采用層層外挑的結構布置。本工程高寬比為99.4/22.75=4.36,對常規結構而言,規范適用的高寬比上限為5,而本工程層層外挑,結構的整體穩定性的設計顯得尤為重要。在初步設計時,遵循上述原則,使南側柱距盡可能大(柱距9.3 m),利用結構自重平衡(或減少)傾覆力矩所產生的軸向拉力。Y軸抗傾覆彎矩見表1。

表1 抗傾覆彎矩

3 結構選型與布置

延性結構、超靜定結構是可以實現多道設防的結構,是抗震設計的基本要求。在抗震設計中采用雙重抗側力體系可以實現多道設防,框架—剪力墻(筒體)、框架—核心筒、筒中筒等都是由框架和剪力墻兩類結構組成,通過結構的合理布置,采取可靠的抗震措施,使抗側力構件具有足夠的承載力和延性,實現抗震設計的多道設防。通常把剪力墻作為第一道防線進行拆分,與剪力墻相關聯的構件按照所起耗能作用的強弱程度在其內部進行劃分,及弱連梁、聯肢墻連梁以及聯肢墻(或剪力墻)。在剪力墻中表現為耗能元件的是弱連梁和聯肢墻連梁,因為剪力墻、核心筒的剛度大,吸收的地震剪力大,地震作用將在剪力墻(或聯肢墻)間分配,剪力墻間相對弱的連梁首先進入耗能狀態,連梁梁端產生塑性變形,耗散地震能量,剪力墻的剛度降低,塑性內力的重分配使框架內力增加,框架部分與各獨立墻肢組成延性結構,兩者共同抵抗地震。利用建筑的垂直交通系統,在東西設置兩個剛度較大的鋼筋混凝土筒體,作為結構主要抗側力構件。為了提高結構的抗扭剛度,在不影響建筑使用功能的前提下,在周邊布置一定數量的剪力墻。通過弱連梁、聯肢墻連梁、框架梁的連接,構成框架—剪力墻(筒體)的雙重抗側力體系。

4 結構的整體分析計算

結構的整體彈性分析主要采用SATWE,同時采用PMSAP的程序進行比較計算。基本風壓按100年重現期取值,W0=0.50 kN/m2,地面粗糙度類別:C類。地震影響系數αmax=0.12,考慮偶然偏心和雙向地震作用,結構抗震等級為:剪力墻一級,框架一級。彈性計算結果見表2,表3。

表2 彈性計算結果比較

表3 結構自振周期

由表2,表3可知,兩模型的彈性分析結果基本一致,結構的底部總剪力、最大層間位移角、周期、周期比均正常,滿足規范要求,整體穩定性驗算均符合要求。在偶然偏心影響的地震作用下,樓層最大位移比為1.18,表明結構的平面布置較為規則,扭轉效應不是很明顯;結構的第一扭轉周期與第一平動周期之比為0.75＜0.9,表明結構的抗扭剛度較強;結構在 X軸和 Y軸方向的位移角、周期都比較接近,表明結構在兩個主軸方向的動力特性相近。

5 結構動力彈性時程分析

為校核振型分解反應譜法的計算結果,采用SATWE軟件進行動力彈性時程分析。計算采用一條人工波(RH4TG035),兩條天然波(TH3TG040,TH3TG045),取地震最大加速度55 cm/s2,結構阻尼比為0.05,圖1,圖2為90°方向的結構動力彈性時程分析的結果;每條動力時程分析計算所得的底部剪力均大于SATWE算得的底部剪力的65%(0.65 Vx=11 463 kN,0.65Vy=12 260 kN,數據取于計算文件),四條動力時程分析計算所得的底部剪力的平均值大于SATWE算得的底部剪力的80%(0.8 Vx=14 108 kN,0.8 Vy=15 090 kN,數據取于計算文件),說明所選擇的三條波符合規范要求,可以采用這三條地震波的計算結果與振型分解反應譜法的計算結果進行比較,計算結果見表4。

表4 動力彈性時程分析結果

6 結語

1)高層建筑中,應關注傾覆力矩的問題,并在初步設計時整體把握。2)應采用雙重抗側力體系,通過可靠的抗震措施,使抗側力構件具有足夠的承載力和延性,實現多道設防。3)通過兩種計算軟件的對比分析,彈性分析計算結果的合理性,驗證了結構概念設計在實際工程中應用的重要性。

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