醫技樓大廳段上下結構協同作用分析

楊 旭 李 陽

（1.容海川城鄉規劃設計有限公司寧夏分公司，寧夏 銀川 750002；2.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司，寧夏 銀川 750411）

0 引言

隨著新材料、新技術、新工藝的應用，許多結構工程正向著多樣化、復雜化、大型化方面發展，如大型商住綜合體、大跨度屋面場館、鋼混組合超高層等[1，2]。當前，采用大跨度鋼結構屋面形式，下部采用鋼筋混凝土為主體的結構工程已廣泛應用[3]，為確保整體結構的安全，在結構設計階段，針對實際工程項目的鋼結構和混凝土結構，進行整體建模，充分利用各種計算工具進行分析計算，達到與實際工程等效的數值模擬，分析出不同材料對結構的影響程度，以指導結構設計師進行更為科學合理的設計。

本文以某實際醫院工程為研究對象，利用3D3S、YJK 等設計軟件進行數值模擬，以屋面大跨度網架在參與和不參與情形下的兩種工況，分析不同工況，對整體結構的支座內力、阻力效果等影響程度，了解屋面大跨度鋼結構在主體結構中產生的作用，確保結構設計方案得到優化[4]。

1 實際工程案例

依托工程位于銀川市靈武市寧東鎮，是一個整體新建的平地建筑群體，其中拱形穹頂建筑為占地面積約2297m2的門診醫技樓（大廳段），大廳左側連接門診樓，右側連接醫技樓，內部空曠無柱，屋面結構為跨度20.0～48.0m 的弧形網架，建筑高度為18.80m。

項目場地為Ⅱ類，抗震等級設為一級，抗震設防烈度為7 度，采用第3 組設計地震，根據地域特點選擇的基本加速度為0.15，基本風壓0.65kN/m2，混凝土強度等級均為C30，采用3 類框架柱截面，分別為600mm×600mm、800mm×600mm、900mm×650mm；屋面網架采用Q345B 鋼管，其彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.28，密度為7.85×103kg/m3。

采用3D3S 及YJK 軟件進行建模，混凝土梁和柱均采用桿單元，各個樓板采用板單元。整個計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型

2 大跨度網架屋面對主體結構阻尼比、周期的影響

該工程存在兩種主要結構（上部鋼結構、下部混凝土結構），目前對此類工程設計時阻尼取值研究甚少[5]。通常情況下，采用比例阻尼的方法進行確定。

將式（1）進行正交交換，則有：

第i 階阻尼和阻尼比列式如下：

采用YJK 軟件計算時，下部混凝土結構的阻尼取0.05，上部鋼結構網架阻尼取0.04，在主體結構阻尼比計算時采用應變能因子法計算。阻尼比、周期及質量參與系數計算結果見表1。

表1 周期、質量參與系數及阻尼比計算結果

為充分研究屋面鋼結構影響主體結構周期的大小，本文在有限元模型設計中設置了去掉網架部分的荷載分析工況，在相應的位置輔以與有網架等量的荷載代替。對其結構周期進行計算，結果見表2 所示。

表2 結構周期計算結果

由表2 可知，陣型3 下的無網架與有網架參與，對結構的陣型影響最大，兩者結構周期差值達到0.1188s。同時計算中發現，網架結構對主體結構向的影響最大，故而在設計中需增加向的約束，強化對向的連接，從而使得主體結構的各個方向的變形較為一致。

3 屋面大跨度網架對主體結構層間地震力的影響

大跨度屋面網架結構對主體結構的阻尼比產生影響，尤其是其不參與計算而以等效荷載作用時，影響主體結構阻尼比的程度更大。當主體結構周期在0.1 與范圍內時，不同材料組成的主體結構層間地震力將主要受到阻尼比的影響。當阻尼比越小，地震影響系數越大，地震力也將越大。當主體結構周期在和5范圍時，地震影響系數受阻尼比和周期共同影響。屋面網架不參與主體結構分析時，地震力的影響將會加大，實際的結構安全難以保證。

為分析屋面大跨度網架對主體結構地震剪力的影響程度，建立分析工況，在計算時不考慮屋面參與主體作用，同時假定整個主體結構的周期范圍為[0.1s，，不同樓層的地震剪力運算結果見表3。

由表3 可知，有無網架結構參與計算對主體結構的地震力有影響。隨著樓層的增大，不同方向下的地震力逐漸變小，同時有網架參與結構計算的同一方向的地震力差值逐漸增大。為此，在考慮屋面大型鋼結構廠房的地震穩定性時，需充分考慮鋼結構本身，否則計算得到的地震剪力偏小。同時也要考慮X 和Y 方向的地震力影響。

表3 樓層地震剪力計算結果

4 屋面大跨度網架對主要連接桿件的影響

為分析屋面大跨度網架對下部結構桿件連接的影響程度，在有限元分析中設置了2 種分析工況，即考慮混凝土柱段有網架和無網架兩種情況。

本文在計算模型中，選取62.5m 方向上3-1 軸/3-H軸設置網架支座柱子進行分析。根據樓層結構將11.67m 劃分為3 段，即第一段為第二層樓面2.67m，第二段為第三層樓面7.17m，第三段為11.67m。提取有限元分析結果中的水平地震作用結果如表4 所示。

表4 水平地震作用結果

由表4 可知，混凝土柱段有網架下的彎矩相比無網架下的彎矩大，并且彎矩值自上而下逐漸增大。為此，在有網架情況下，需加強對混凝土柱段支點的約束。

5 結束語

（1）鋼結構與混凝土結構組合設計中，應深入考慮兩種材料的阻尼比，在材料性質上分析不同材料對主體結構的影響。

（2）鋼結構與混凝土結構組合設計中，應充分考慮地震作用的不利影響，依據地震反應譜的各個階段及結構周期來選擇合適措施。

（3）鋼結構與混凝土結構組合設計中，應重點考慮不同材料之間的連接，充分考慮下部結構混凝土的強度等級，提高連接節點處的安全性。

（4）對于大型網架屋面，需結合有限元分析和相應的力學試驗來確保結構設計的安全性。