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某醫(yī)院門診醫(yī)技樓、病房樓結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點分析

邵華良（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽合肥230001）

結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中，應(yīng)準(zhǔn)確把握關(guān)鍵點的理解與分析，確定設(shè)計目標(biāo)和計算方法。結(jié)構(gòu)工程師抗震設(shè)計的基本要素是做到針對性地采取行之有效的結(jié)構(gòu)分析、計算、設(shè)計和結(jié)構(gòu)措施，從而改善提高結(jié)構(gòu)的抗震能力；而不應(yīng)僅片面追求具體計算數(shù)值上。

結(jié)構(gòu)嵌固層；抗震縫；樓梯整體分析；少量剪力墻框架；薄弱部位；特殊構(gòu)件

1　工程概況

某醫(yī)院門診醫(yī)技樓和病房樓因建筑功能要求，位于一大底盤地下室上，地下室連成一體，層高5.7m，不允許設(shè)置結(jié)構(gòu)縫；地面以上形成2個獨立的結(jié)構(gòu)區(qū)域（門診醫(yī)技樓、病房樓區(qū)）。門診醫(yī)技樓整個平面近似顯矩形布置，地上部分最大外輪廓平面尺寸約為：180×111.6m，典型柱網(wǎng)為：7.8×8.4m，地上共4層，一層層高5.4m，二～四層層高4.5m，主體結(jié)構(gòu)高度為19.20m（計入室內(nèi)外高差）；平面兩個方向超長，且結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，按照平面布置力求規(guī)則、簡單，盡量減少突出與凹進，避免形成特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系的原則，并結(jié)合建筑功能，將平面設(shè)縫劃分為4個獨立結(jié)構(gòu)單元（1區(qū)～4區(qū)），結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)。病房樓平面呈長矩形布置，地上部分最大外輪廓平面尺寸約為：164.7×26.0m，典型柱網(wǎng)為：7.8×8.4m 和7.8×7.5m，地上共16層，一層層高5.4m，二～四層層高4.5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.9m，主體結(jié)構(gòu)高度為66.0m（計入室內(nèi)外高差）；由于樓層結(jié)構(gòu)平面長度大大超過了規(guī)范限值，同時平面寬度最小16.8m至最大26.0m變化不等，根據(jù)建筑功能，設(shè)縫分為3個獨立結(jié)構(gòu)單元（5區(qū)～7區(qū)），結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點分析

圖1　門診醫(yī)技樓結(jié)構(gòu)單元平面布置圖

圖2　綜合病房樓結(jié)構(gòu)單元平面布置圖

圖3

2.1上部結(jié)構(gòu)嵌固層位置的設(shè)置及相關(guān)設(shè)計要求控制的分析

通過對本工程各塔樓、各結(jié)構(gòu)單元計算模型簡化、合理性、層間剛度比、地下室頂板構(gòu)造等因素綜合分析，確定嵌固層位置設(shè)于地下室頂板處為最合理選擇。

2.1.1嵌固層位置設(shè)定概念設(shè)計分析

嵌固層設(shè)置的位置不同，決定了計算模型及設(shè)計分析的不同，本工程為僅地下室連為整體的多塔、多單元結(jié)構(gòu)，一般情況下可不認(rèn)定為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）第10.6節(jié)規(guī)定的復(fù)雜多塔樓結(jié)構(gòu)體系，但當(dāng)?shù)叵率翼敯宀荒茏鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位（嵌固于基礎(chǔ)頂面或下延地下室一層底板）時，地下室頂板設(shè)計與計算應(yīng)考慮多塔樓、多結(jié)構(gòu)單元的相互作用影響，需將地下室作為大底盤與上部各棟塔樓或各結(jié)構(gòu)單元整體建模計算，同時還需與嵌固于地下室基礎(chǔ)上的各單塔樓建立模型（考慮相關(guān)范圍）進行校核包絡(luò)計算，此時工程計算容量顯著增加，計算機往往受容量限制。由于本工程地下室以上各塔樓、各單元結(jié)構(gòu)體系不同、樓層數(shù)不同，平面尺寸不同，結(jié)構(gòu)剛度差別大，整體計算時，難以準(zhǔn)確分析應(yīng)力特性，為簡化計算模型，同時又能較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)實際受力狀況，選擇了地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位，此時可分塔樓、分結(jié)構(gòu)單元（地下室考慮相關(guān)范圍分割）分析計算設(shè)計。

2.1.2嵌固端計算模型分類及對上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的影響

①實際工程中，對上部結(jié)構(gòu)嵌固的計算模型根據(jù)約束變形特點一般可分為：“絕對嵌固模型”，就是嵌固端完全約束（水平位移、豎向位移和轉(zhuǎn)角位移均為零）?！耙话闱豆棠Ｐ汀保壕褪乔豆潭怂轿灰仆耆s束（水平位移，豎向位移為零，而轉(zhuǎn)角位移不為零），帶地下室且在地下室頂面嵌固的模型屬于“一般嵌固模型”。“按地下室剛度計算的嵌固模型”：就是將地下室基礎(chǔ)作為絕對嵌固端，地下室按實際剛度并考慮土體對地下室剛度的影響。

②采用“絕對嵌固模型“時，由于地下室側(cè)向剛度假設(shè)無限剛，結(jié)構(gòu)吸收地震作用力偏大，結(jié)構(gòu)位移較小，幾乎不變形，此時較容易滿足《高規(guī)》第3.5.2-2條中對結(jié)構(gòu)底部嵌固層γ2≥1.5要求，一般僅用于結(jié)構(gòu)的比較計算；按“地下室剛度計算的嵌固模型”能較好地模擬地下室對上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的影響，但難以準(zhǔn)確模擬地下室外填土對地下室側(cè)向剛度的影響，計算前提較粗，計算結(jié)果準(zhǔn)確性較低，可用在地下室側(cè)向剛度較小、地下室水平位移較大的情況（如自帶地下室單棟建筑），盡管計算模型從理論上對地下室是較合理的模擬，但由于四周地基計算參數(shù)取值復(fù)雜，帶有較大的不確定性，因此一般情況下不宜采用，在特定的條件下可作比較計算。按“一般嵌固模型”計算時，能較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)在水平力（如風(fēng)荷載、地震荷載等）作用下上部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件在地下室頂面的轉(zhuǎn)動實際情況，但此時要求地下室側(cè)向剛度較大，需滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）第6.1.14-2條和《高規(guī)》第5.3.7條要求，同時由于對地下室剛度假設(shè)偏大，上部結(jié)構(gòu)吸收地震作用力仍偏大，結(jié)構(gòu)位移較?。ㄐ〉娇梢院雎圆挥嫵潭龋嬎惚容^表明，對于豎向構(gòu)件在嵌固端有轉(zhuǎn)角時，對《高規(guī)》第3.5.2-2條中結(jié)構(gòu)底部嵌固層γ2≥1.5一般較難滿足，應(yīng)通過調(diào)整豎向構(gòu)件剛度來滿足計算要求，一般工程應(yīng)優(yōu)先考慮該計算模型，本工程基于上述分析，采用此模型計算。

2.1.3滿足“一般嵌固模型”計算與設(shè)計的要求

①地下室四周外墻與填土應(yīng)緊密接觸，滿足《高規(guī)》第12.2.6條要求，作為判定上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的重要因素，一般情況下，地下室外側(cè)四周較密實回填土對地下室側(cè)向剛度的貢獻通常是地下室自身側(cè)向剛度的3～5倍。

②為保證地下室頂板的整體剛度，本工程從樓板開洞、混凝土強度、樓板及梁結(jié)構(gòu)布置形式、樓板厚度，樓板配筋等各方面考慮，均滿足《抗規(guī)》第6.1.14-1條和《高規(guī)》第3.6.3條要求，使地下室頂板有足夠的平面內(nèi)和平面外剛度，保證有效傳遞地震剪力作用。

③嵌固端上、下層側(cè)向剛度比取值。對地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的條件，《抗規(guī)》、《高規(guī)》都有明確規(guī)定，其中一條是：結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度不宜大于地下一層相關(guān)范圍側(cè)向剛度的0.5倍，相關(guān)范圍一般取主樓及周邊外延不大于3跨或20m。本工程由于各結(jié)構(gòu)單元之間僅設(shè)縫分隔，沒有相應(yīng)的外延范圍，其相關(guān)范圍取各自結(jié)構(gòu)單元投影區(qū)域，此時地上一層與地下室側(cè)向剛度比值可按有效數(shù)字控制，即不大于0.54，相當(dāng)于地下室側(cè)向剛度需大于地上結(jié)構(gòu)的1.85倍（可不需要絕對滿足2倍要求），為滿足該比值，通過調(diào)整或適度增設(shè)地下室豎向構(gòu)件，同時也盡可能保證建筑對空間的要求。

2.2抗震縫的設(shè)置及寬度要求的分析

2.2.1抗震縫設(shè)置的原則

《抗規(guī)》明確規(guī)定：對于體形復(fù)雜、平立面不規(guī)則的建筑，應(yīng)根據(jù)不規(guī)則程度，地基基礎(chǔ)條件和技術(shù)經(jīng)濟因素的比較分析，確定設(shè)置抗震縫。本工程基于上述要求，對門診醫(yī)技樓、病房樓設(shè)置若干抗震縫，將原復(fù)雜的建筑平面分割為若干個較規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，降低結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的難度，有利于減輕房屋的扭轉(zhuǎn)并能改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.教學(xué)內(nèi)容圖文并茂，直觀性強。在多媒體教學(xué)過程中，高職韓國語教師運用多媒體手段具體直觀地將圖片、聲音、動畫、視頻等多種形式的教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生，而學(xué)生可以通過多種感官多維度地學(xué)習(xí)韓國語知識技能，能夠更直觀地理解、運用所學(xué)的韓國語知識。

2.2.2抗震縫寬度設(shè)計

①抗震縫寬度是以框架結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進行規(guī)定的，《抗規(guī)》中明確規(guī)定：框架結(jié)構(gòu)房屋的抗震縫寬度，當(dāng)高度不超過15m時，不應(yīng)小于100mm；高度超過15m時，6度、7度、8度和9度分別每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加寬20mm；但大量震害調(diào)查表明，按規(guī)范要求確定的抗震縫寬度，僅為最小寬度，在強烈地震下，仍有發(fā)生碰撞的可能，同時抗震縫兩側(cè)的建筑飾面尤其是瓷磚及其它硬質(zhì)飾面實際減小了抗震縫的有效寬度，建筑物差異沉降也會造成抗震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)彼此“靠攏”，減小抗震縫有效寬度，地震發(fā)生時，房屋的自由變形受到限制。

②本工程門診醫(yī)技樓各結(jié)構(gòu)單元均為框架結(jié)構(gòu)體系，其自身抗側(cè)力剛度較小，同時各層平面樓板開洞較多且較大，又消弱了結(jié)構(gòu)整體剛度，在水平荷載作用下，側(cè)向變形大，同時考慮到該建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別需按重點設(shè)防類設(shè)計等因素，結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采取適當(dāng)加大結(jié)構(gòu)剛度，抗震縫寬度取值不僅需滿足規(guī)范一般要求，縫寬宜適度增加，按滿足不小于兩側(cè)結(jié)構(gòu)單體在中震作用下最大彈塑性位移值的要求設(shè)計。

2.3樓梯參與結(jié)構(gòu)整體工作的分析

《抗規(guī)》第3.6.6和6.1.15條中明確，結(jié)構(gòu)計算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響，對于框架結(jié)構(gòu)，樓梯間的布置不應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面特別不規(guī)則，樓梯構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)整澆時，應(yīng)計入樓梯構(gòu)件受地震作用及其效應(yīng)的影響，進行樓梯構(gòu)件的抗震承載力驗算。樓梯對框架結(jié)構(gòu)整體影響，通過本工程門診醫(yī)技樓3區(qū)三維計算模型（如圖）及計算結(jié)果如下表。

計算結(jié)果表明：加樓梯后X、Y向的剛度提高，樓層位移減少，但X、Y向位移角，位移比增大，說明造成樓層結(jié)構(gòu)剛心下移，扭轉(zhuǎn)變形加大，因此樓梯加入到整體模型分析中可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。本工程框架結(jié)構(gòu)中樓梯設(shè)計把握了以下幾點：①結(jié)構(gòu)分析中考慮樓梯中剛度貢獻，僅通過構(gòu)造措施無法保證主體結(jié)構(gòu)安全，樓梯結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)抗震能力影響很大；②梯梁布置盡可能不與主體框架柱相連，避免形成短柱甚至超短柱或錯層柱，在結(jié)構(gòu)分析時予以充分重現(xiàn)；③梯板與樓板一樣傳遞水平地震作用（除樓梯支座設(shè)滑動支座外），因此對梯板配筋除按靜力荷載計算外，還必需按符合實際地震力作用情況的模型計算，兩者取包絡(luò)配筋；④樓梯間角柱、梯梁及梯柱配筋應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)整體計算。

2.4剪力墻設(shè)計分析

2.4.1少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)

《抗規(guī)》第6.1.3條規(guī)定，設(shè)置少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)，在規(guī)定的水平力作用下，底層框架部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%時，其框架的抗震等級按框架結(jié)構(gòu)確定，抗震墻的抗震等級可與其框架的抗震等級相同。本工程門診醫(yī)技樓2區(qū)基于上述原則，在各層平面中布置了少量剪力墻，目的是：

①在多遇地震作用下，其純框架的彈性層間位移角不能滿足規(guī)范不大于1/550的要求時，通過布置少量剪力墻，使結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角能滿足規(guī)范，此時，設(shè)置少量剪力墻的目的在于滿足規(guī)范的框架結(jié)構(gòu)的位移限值要求。

②提高框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，減小結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的變形，設(shè)置少量剪力墻能適當(dāng)改善框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.4.1.2少量剪力墻框架計算分析

①首先按框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系計算，剪力墻應(yīng)按計算結(jié)果進行配筋并滿足相應(yīng)抗震等級的抗震構(gòu)造措施要求，結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值宜根據(jù)框架部分承擔(dān)的傾覆力矩Mc與總傾覆力矩Mo的比值確定。本工程門診醫(yī)技樓2區(qū)為設(shè)有少量剪力墻框架結(jié)構(gòu)，其彈性層間位移值限值依據(jù)《抗規(guī)》第6.1.3條文說明并參考北京市建筑設(shè)計研究院編著的《建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)措施》中有關(guān)規(guī)定，當(dāng)Mc/Mo≤0.5時，結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值宜滿足1/800；當(dāng)Mc/Mo≥0.7時，結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值應(yīng)滿足1/550；當(dāng)0.5＜Mc/Mo＜0.7時，按線性內(nèi)插取值。

②再按照不計入剪力墻的純框架結(jié)構(gòu)體系計算，框架應(yīng)按框架剪力墻計算結(jié)果與純框架結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果兩者的較大值進行配筋，并滿足相應(yīng)抗震等級的抗震構(gòu)造措施的要求，同時補充純框架結(jié)構(gòu)的大震彈塑性位移驗算，并應(yīng)滿足規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)的要求。

2.4.2框架剪力墻中剪力墻布置位置的分析

本工程病房樓5、6、7區(qū)屬高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻位置設(shè)置時，要求避免兩側(cè)樓板全部開洞的剪力墻或樓梯間設(shè)于樓平面端部時無樓板約束的剪力墻布置。此類情況往往在計算中認(rèn)為發(fā)揮了作用，計算結(jié)果指標(biāo)良好，但實際由于剪力墻兩側(cè)全部開洞，無樓板約束，樓板并不能將水平力有效地傳遞至該片剪力墻上，受力完全與建立的計算模型不相符，會造成其它墻肢和框架柱實際受力比計算值大，當(dāng)兩側(cè)樓板全部開洞的剪力墻計算所承受的水平剪力較大時，則與結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)誤差更大，會造成其它抗側(cè)力構(gòu)件的承載力不安全，對框架剪力墻結(jié)構(gòu)更危險，本工程特別予以重現(xiàn)。此時通過與其它專業(yè)協(xié)商，盡可能將一部分開洞移至別處，或預(yù)留板的受力鋼筋要求在安裝好設(shè)備管道后，立即封堵洞口，或避免樓面端部樓梯間處設(shè)置邊緣橫向剪力墻，減小樓板洞口尺寸，并采用其它有效的構(gòu)造措施（如設(shè)拉梁、拉板等），使結(jié)構(gòu)水平力能可靠的傳遞至該片剪力墻上，與實際計算分析相符，保證結(jié)構(gòu)體系的安全。

2.5薄弱部位、特殊構(gòu)件計算分析與把握

2.5.1樓板非剛性分析

本工程門診醫(yī)技樓1、2、3、4區(qū)因建筑功能需要，樓板局部開有大洞或有平面較大的凹凸，部分樓板還出現(xiàn)細(xì)窄長連廊相連，形成多處薄弱部位，對于此類樓板形狀較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)平面，樓板平面內(nèi)剛度有較大的消弱且不均勻，樓板平面內(nèi)的變形會使樓層內(nèi)抗側(cè)力剛度較小的構(gòu)件的位移和內(nèi)力增大，采用剛性樓板（即平面內(nèi)無限剛、平面外為零）與實際受力不相符，不能保證這些構(gòu)件的計算結(jié)果的可靠性，在結(jié)構(gòu)分析計算時，為了真實地反映樓板平面內(nèi)的剛度，同時又不影響梁的配筋，采用了SATWE中“彈性膜”假定計算，即假定樓板在平面內(nèi)的剛度為真實剛度，而樓板平面外的剛度為零，樓板平面內(nèi)的剛度采用平面應(yīng)力膜單元計算。為提高分析效率，本工程彈性板分區(qū)域定義在需要的局部區(qū)域上，彈性板把整層樓板分隔成幾塊剛性樓板，并采用總剛分析；對于結(jié)構(gòu)位移比、周期比、樓層側(cè)向剛度比等還應(yīng)補充剛性樓板假定計算。

2.5.2特殊構(gòu)件的補充計算分析

本工程門診醫(yī)技樓中，對于出現(xiàn)樓板平面弱連接處，采用PMSAP進行中震作用下樓板彈性應(yīng)力分析補充計算，查明應(yīng)力云圖分布狀況，有針對性地采取了加強配筋，加厚樓板及相應(yīng)的構(gòu)造措施。

對于樓層間出現(xiàn)穿層柱，補充增加了撓曲桿件產(chǎn)生的二階效應(yīng)（P-δ效應(yīng)）計算，按穿層柱同一榀框架短柱端最大地震剪力與穿層柱端地震剪力比對穿層柱端剪力作修正放大計算，同時為增強穿層柱延性，采取增大主筋、箍筋配筋率，全高加密箍筋等構(gòu)造措施。

3　結(jié)論

通過對以上工程設(shè)計中關(guān)鍵點的分析把握和設(shè)計要求，體會到結(jié)構(gòu)設(shè)計時不僅是對規(guī)范條文和計算數(shù)據(jù)的滿足，還應(yīng)該了解規(guī)范條文規(guī)定的過程和目的，從而能達到對工程結(jié)構(gòu)實際具體問題具體分析，切實做到因工程而異，同一工程各構(gòu)件抗震性能要求而異，確定設(shè)計目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計真正做到滿足抗震設(shè)防目標(biāo)：“小震不壞，中震可修，大震不倒”。

[1]JGJ-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]姜學(xué)詩.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計問答實錄[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

TU318

A

1007-7359(2016)03-0071-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.024

邵華良（1963-），男，安徽合肥人，高級工程師，國家注冊一級結(jié)構(gòu)工程師，院副總工程師。