某醫院住院樓設計

劉佳毅，王 琳，龔 琦，張 建

(1.昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南鑫華建設咨詢監理有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

項目位于云南省施甸縣。該住院樓總建筑面積為30 283.20 m2；地上11層，地下1層，建筑高度46.200 m，長120.6 m，寬23.5 m。結構形式為鋼支撐(BRB)-鋼筋混凝土框架結構，采用減震技術，1～11層設置BRB。結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。抗震設防烈度為8度，設計地震基本加速度值為0.20 g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值0.45 s，框架抗震等級特一級。建筑設防類別：重點設防類(乙類)。

1 基礎設計

工程采用筏形基礎，筏板厚1 500 mm，柱下設置下柱墩，以③層碎石層為持力層，承載力特征值為280 kPa。

圖1 效果圖

2 結構選型及布置

2.1 結構選型

根據《云南省建設工程抗震設防管理條例》《云南省隔震減震建筑工程促進規定》的有關要求，該項目需采用減隔震技術，受制于建筑要求，無法采用隔震技術，只能采用減震技術。

該住院樓2層設有手術室，無法布置剪力墻，故普通框架-抗震墻或抗震墻結構無法實現。在滿足建筑使用功能的前提下，可供選擇的結構體系為鋼框架，鋼筋混凝土框架、鋼支撐-鋼筋混凝土框架。經計算比較，鋼支撐-鋼筋混凝土框架結構的經濟性要優于其余兩種，故最終確定采用該結構體系。

圖2 基礎平面布置圖

2.2 結構布置

住院樓標準柱跨為7.8×8.5 m、7.8×7.4 m。砼強度等級C50～30。其中建筑一、二層梁、柱均配置鋼骨。主要構件截面尺寸見表1。

表1 構件截面尺寸

工程采用YJK軟件試算的方式，首先估算出當結構達到目標位移值時，所需的附加剛度，每層設置合理數量的阻尼器及合理的阻尼器有效剛度。同時驗算底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩占結構總傾覆力矩的百分比，以滿足該結構體系的要求，驗算結果見表2、表3。阻尼器的布置遵循均勻、分散、對稱的原則。該工程防屈曲支撐布置圖見3-5，各層數量見表4。

表2 向地震傾覆力矩

表3 向地震傾覆力矩

表4 全樓BRB匯總表

圖3 首層BRB布置

圖4 標準層BRB布置

圖5 頂層BRB布置

圖6 結構布置圖

3上部結構設計

3.1 嵌固端的選取

該工程地下室住院樓下部為1層，其余部分均為2層。住院樓與純地下室存在0.9 m高差，為保證水平力的有效傳遞，設置斜板及斜墻，地下室頂部作為上部結構的嵌固部位，地下一層滿足相應的嵌固要求。

3.2 超限情況

工程存在以下不規則項：

1)樓板不連續：樓板有效寬度為40 %

2)11層局部有框架柱轉換。

該建筑為平面一般不規則，豎向一般不規則的結構。

3.3 性能目標

該工程減震要求為：在多遇地震下，其建筑結構須完全保持彈性，且非結構構件無明顯損壞；在罕遇地震作用下，其減震阻尼器系統仍能正常發揮功能。

表5 減震性能目標

4 結構多遇地震下的分析

4.1 反應譜計算

計算軟件采用YJK(1.8.3)與SAP2000(19.0.0)2種軟件進行。

主要計算指標見表6-8

表6 結構周期對比

表7 結構樓層剪力對比

表8 結構位移角匯總

由表8可知2種軟件計算結果基本一致。表明結構布置合理，無較大的扭轉效應；各指標均滿足相關規范要求。

4.2 彈性時程分析

工程選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，結果取平均值。所選取加速度時程曲線滿足規范要求且與反應譜擬合較好，詳見表9及圖6。

表9 結構模型底部剪力對比

注：T534號—1980年MAMMOTH LAKES地震CAS HBAUG&HRANCH臺站記錄；T570號—1999年CHI-CHI TAIWAN地震CHY062臺站記錄；T605號—1995年KOBE JAPAN地震TAKARAZU臺站記錄；T620號—1984年MORGAN HILL地震HOLLISTER DIFFARRAY臺站記錄；T703號—2002年GILROY地震DUBLIN FIRE STATION臺站記錄.R1、R2為人工波

經計算，各加速度時程曲線在多遇地震下最大層間位移角平均值X方向為1/863，Y方向為1/832，均小于減震目標值1/720；層間位移角曲線詳見圖7，8。提取所有BRB在各工況下的軸力進行分析可知，在風荷載、溫度荷載、地震作用下所有BRB的軸力均小于其屈服力，故BRB處于完全彈性狀態。

圖7 X向小震層間位移角曲線

圖8 X向小震層間位移角曲線

5 結構罕遇地震下的分析

進行大震彈塑性時程分析時，選用選取了實際2條強震記錄和1條人工模擬加速度時程曲線，結果取包絡值。

經計算分析在罕遇地震作用下，減震結構X向的層間位移角包絡值為1/159，非減震結構X向的層間位移角為1/116，減震結構與非減震結構的水平位移比為0.73；減震結構Y向的層間位移角包絡值為1/163，非減震結構Y向的層間位移角為1/122，減震結構與非減震結構的水平位移比為0.75。同時絕大多數屈曲約束支撐(BRB)進入塑性階段，發揮了良好的耗能能力。少量(14個，占比4.6 %)屈曲約束支撐(BRB)仍處于彈性階段，作為超罕遇地震下的安全儲備。結果詳見圖9-13。

圖9 X向大震層間位移角曲線

圖10 Y向大震層間位移角曲線

圖11 R1波Y向能量耗散曲線

圖12 181號支撐T570波Y向滯回曲線

6 主要抗震措施

1)該工程為高層鋼支撐(BRB)-鋼筋混凝土框架結構，為保證柱在地震時有足夠的延性，在底部兩層梁、柱中設置型鋼，在其他樓層混凝土柱中設置芯柱及使用復合箍。

2)對于樓板不連續的結構，計算時采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型，并計入樓板局部變形的影響。對于樓板不連續的區域，通過加厚該區域樓板厚度，并以樓板應力分析結果進行樓板配筋，以保證地震作用的傳力途徑。

3)超長結構措施：局部薄弱樓板加厚至150 mm厚，樓板采用溫度應力分析復核并加強配筋，梁板混凝土中摻入抗裂膨脹劑并增設膨脹加強帶。

4)地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，住院樓下地下室頂板與純地下室頂板間存在0.9 m高差，為保證水平力有效傳遞及頂板嵌固的有效性，在高差處設置斜板斜墻。

5)為避免地下室頂板子結構梁出現轉動對一層屈曲約束支撐產生不利影響，在子結構梁下均增加350 mm厚構造剪力墻。

圖13 R1波X向最終出鉸情況

7 結 語

與框架結構附加BRB的體系相比，鋼支撐(BRB)-混凝土框架結構將適用的最大高度大幅增加，能有效解決高度超限問題；有較好的經濟型。與普通鋼支撐-混凝土框架結構相比，BRB可以自由調節剛度而不存在失穩的問題，在中、大震下屈服耗能保護結構主體。普通鋼支撐則受限于構造要求，難以自由調節其剛度。

由于住院樓內填充墻數量較多，結構總質量較大，單位面積質量(恒載)達到16.7 kN/m2，以一般軸壓比限值控制柱截面則會造成柱截面過大，通過使用復合箍+芯柱提高柱軸壓比限值可大幅減小柱截面；同時減小柱的截面也能提高柱間位移，增加BRB的工作效率。

綜上所述，該結構體系選取、結構布置合理，具有良好的抗震耗能機制。采用鋼支撐(BRB)-混凝土框架結構既有效提高了結構主體的安全性又具有較好的經濟性。