王 雷，劉 博，董全利

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.西安建筑科技大學(xué)，北京 710055； 3.悉地(北京)國(guó)際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100013)

1 工程概況

泰康同濟(jì)(武漢)醫(yī)院項(xiàng)目位于武漢市漢陽區(qū)四新北路與連通港西路交匯處?？偨ㄖ娣e270 000 m2，其中地上建筑面積為180 000 m2，地下建筑面積90 000 m2。項(xiàng)目由3棟高層塔樓(A，B，C塔)及其相連裙房和門診樓、癌癥中心(D樓)、辦公樓(E樓)共同組成。滿鋪地下室2層，地下室底板頂標(biāo)高為-10.300 m，項(xiàng)目整體效果見圖1。

A，B，C塔樓及裙房形成大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)，門診樓與A樓之間設(shè)防震縫，縫凈寬200 mm，形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，門診樓平面位置及防震縫設(shè)置如圖2所示。本文主要針對(duì)門診樓及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析及控制要點(diǎn)進(jìn)行介紹。

門診樓平面呈“L”形，與其他塔樓共用整體地下室，地下共2層。L形X向采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上共4層，結(jié)構(gòu)高度20.40 m，混凝土框架最左端樓梯間處設(shè)置屈曲約束支撐(BRB)。L形Y向采用鋼框架結(jié)構(gòu)，地上共3層，結(jié)構(gòu)高度15.40 m。為滿足建筑立面效果，鋼框架外圍采用3層通高的X形斜柱。混凝土框架樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，鋼框架部分樓板采用壓型鋼板組合樓蓋，與混凝土部分在平面上連為整體。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)使用年限50 a，抗震設(shè)防類別：乙類；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：一級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1[1]；抗震設(shè)防烈度7度，基本地震加速度值0.10g。

設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，多遇地震下場(chǎng)地特征周期為0.45 s。地震影響系數(shù)取值：小震按規(guī)范和區(qū)劃圖取包絡(luò)值αmax=0.108，中震αmax=0.23，大震αmax=0.50[2]?？拐鸬燃?jí)：混凝土框架二級(jí)；鋼框架三級(jí)，嵌固部位為地下2層頂面。

3 結(jié)構(gòu)體系

19軸左側(cè)為混凝土框架結(jié)構(gòu)，19軸右側(cè)為鋼框架結(jié)構(gòu)，典型柱網(wǎng)為9 m×9 m。鋼框架內(nèi)部為圓形鋼管柱，外側(cè)采用X形交叉箱型斜柱，其中候診大廳正立面采用三層通高交叉箱型斜柱，交叉斜柱通過±0的混凝土轉(zhuǎn)換梁支撐。因交叉斜柱抗側(cè)剛度較大，在最左側(cè)混凝土框架部位局部設(shè)置屈曲約束支撐，以便減小整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[3]。結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示，正立面X形斜柱布置如圖4所示，X形斜柱施工期間的實(shí)景如圖5所示。

混凝土框架柱截面為800 mm×900 mm，800 mm×800 mm，混凝土樓蓋采用平行雙次梁布置，框架梁截面為600 mm×800 mm，400 mm×800 mm，次梁為300 mm×700 mm。內(nèi)部鋼框架柱采用圓形及箱型截面，典型尺寸為P600×18，P600×30，B600×600×22×22。鋼框架周邊X形斜柱尺寸為B600×400×22×22，B600×400×25×25。鋼框架樓蓋采用壓型鋼板組合樓蓋，樓蓋次梁采用單向次梁布置，次梁間距滿足壓型鋼板施工階段要求。混凝土強(qiáng)度等級(jí):框架柱為C40，框架梁板C30，鋼梁鋼柱為Q345B。壓型鋼板型號(hào)采用閉口型YXB65-170-510(B)，厚度為1.2 mm，雙面鍍鋅總量不小于270 g/m2，地上各層樓板厚度均為120 mm。

地下1層頂板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土十字次梁體系，門診樓投影范圍內(nèi)板厚為160 mm，地下室覆土區(qū)域板厚為250 mm。地下1層頂板與車庫(kù)地下室頂板高差較大，相鄰處梁板采用加腋處理，見圖6。以避免門診樓地下1層框架柱形成極短柱，同時(shí)使地下室頂板可有效傳遞水平力；地下2層頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，采用主梁+大板體系，板厚為250 mm。

4 結(jié)構(gòu)分析

本項(xiàng)目為平面不同區(qū)域的混凝土與鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，且存在樓板不連續(xù)、躍層斜柱，結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜。因此在初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段做了比較詳細(xì)的計(jì)算分析。

4.1 多遇地震反應(yīng)譜分析

計(jì)算軟件采用YJK 1.8.3，并用Etabs V9.7.4進(jìn)行校核，選取地下室相關(guān)范圍進(jìn)行整體分析。三維計(jì)算模型見圖7。

主要計(jì)算結(jié)果見表1，兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果比較接近，模型分析結(jié)果是合理可靠的。

表1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

4.2 多遇地震彈性時(shí)程分析

本項(xiàng)目選用的多遇地震時(shí)程波參數(shù)見表2。

表2 時(shí)程波參數(shù)

將時(shí)程波峰值修正至35 gal，將三條時(shí)程波進(jìn)行波譜擬合并與規(guī)范譜對(duì)比，多組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在結(jié)構(gòu)主要振型周期點(diǎn)上相差不大于20%。單條(組)輸入時(shí)，各條波基底剪力滿足振型分解反應(yīng)譜法的0.65倍～1.35倍要求。多條(組)輸入時(shí)，各組基底剪力平均值滿足振型分解反應(yīng)譜法基底剪力的0.80倍～1.20倍的要求。

多遇地震時(shí)程分析X向基底剪力與Y向基底剪力與反應(yīng)譜分析的比較結(jié)果見表3。三條時(shí)程波的包絡(luò)樓層剪力分布與反應(yīng)譜分析總體差別不大，X向在3層以上時(shí)程分析比反應(yīng)譜分析略大1.5%～3.1%，全樓地震作用放大系數(shù)1.031；Y向在2層以上時(shí)程分析比反應(yīng)譜略大約2.7%～7.4%，全樓放大系數(shù)1.074。施工圖設(shè)計(jì)階段采用了反應(yīng)譜結(jié)果乘以地震作用放大系數(shù)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表3 多遇地震時(shí)程與反應(yīng)譜分析基底剪力對(duì)比

4.3 屈曲約束支撐(BRB)設(shè)置的必要性

門診樓結(jié)構(gòu)形式屬于鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，建筑平面呈“L”形，X向主體結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)，Y向附屬結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。為滿足建筑立面需求，鋼結(jié)構(gòu)框架外圍設(shè)置了較多的交叉斜柱，大幅度增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)Y方向的抗側(cè)剛度，由于交叉斜柱偏置在結(jié)構(gòu)的右側(cè)，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯，未設(shè)置屈曲約束支撐時(shí)，地震作用下結(jié)構(gòu)另一端的位移較大，整體結(jié)構(gòu)的位移比難以滿足規(guī)范限值要求?；谝陨显颍趯?duì)右側(cè)鋼結(jié)構(gòu)斜撐及其頂部鋼梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行弱化處理的基礎(chǔ)上，在左側(cè)結(jié)構(gòu)端部沿Y向設(shè)置了一榀屈曲約束支撐，用以增強(qiáng)左側(cè)端部框架的抗側(cè)剛度。

在小震作用下，有、無BRB框架結(jié)構(gòu)X方向的扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2，滿足規(guī)范限值的要求，但無BRB框架在Y方向的扭轉(zhuǎn)位移比為1.55，遠(yuǎn)大于1.4，超過了規(guī)范限值的要求。有BRB框架Y方向的扭轉(zhuǎn)位移比為1.39，滿足規(guī)范要求。這表明BRB可有效控制結(jié)構(gòu)端部因結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的位移。BRB現(xiàn)場(chǎng)施工之后的照片見圖8。

4.4 罕遇地震下的靜力推覆分析

本項(xiàng)目采用PKPM2010計(jì)算軟件中的EPDA&PUSH模塊進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)靜力彈塑性推覆分析，靜力推覆參數(shù)如下：

初始荷載：1.0恒+0.5活；水平加載形式：矩形側(cè)向荷載，加載方向：X向，Y向；阻尼比：0.05。

影響系數(shù)最大值：0.5；場(chǎng)地特征周期：0.50 s。

塑性鉸定義及分配：

框架梁：采用M鉸，鉸的骨架曲線為FEMA類型；框架柱：采用P-M-M鉸，不考慮柱的軸向屈服，考慮軸向彎曲的相關(guān)性，鉸的骨架曲線為FEMA類型，見圖9。

各性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的破壞狀態(tài)的定性描述如下：

性能點(diǎn)IO：構(gòu)件只受到輕微破壞，無須修復(fù)即可繼續(xù)使用；性能點(diǎn)LS：構(gòu)件受到顯著破壞但尚不危及生命安全，修復(fù)后可繼續(xù)使用；性能點(diǎn)CP：構(gòu)件受到嚴(yán)重破壞即將出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)強(qiáng)度退化，已不可修復(fù)使用，但構(gòu)件尚能承受重力荷載而避免倒塌。

經(jīng)分析，X向彈塑性最大層間位移角1/200，產(chǎn)生于2層，Y向彈塑性最大層間位移角1/286，產(chǎn)生于2層頂。X向,Y向彈塑性層間位移角均小于抗震性能控制標(biāo)準(zhǔn)的彈塑性層間位移角限值1/110，結(jié)構(gòu)的X向,Y向?qū)娱g位移角均滿足彈塑性變形要求。

X向及Y向在性能點(diǎn)時(shí)的塑性鉸主要集中在框架梁上，少量柱處于IO-LS段柱鉸，沒有永久水平偏置，承載力完好。

4.5 交叉斜柱的屈曲分析

本項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)框架主立面局部設(shè)置了交叉斜柱，按照受力情況分為有側(cè)向支承斜柱和無側(cè)向支承斜柱，其中有側(cè)向支撐斜柱平面內(nèi)與樓面梁、板相連并受到后者的平面外約束作用；無側(cè)向支承斜柱位于鋼結(jié)構(gòu)中庭周邊，中庭三層通高，高度約15.4 m，此部分斜柱平面外無樓面梁和板提供約束。

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用單層拉索幕墻結(jié)構(gòu)體系，拉索的上下端分別錨固于交叉斜柱的底部和頂部，交叉斜柱因此承受了較大拉索預(yù)張力傳遞的壓力。交叉斜柱在拉索荷載和其他各種荷載組合作用下的剛度、承載力和穩(wěn)定性能直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的安全，對(duì)通高的交叉斜柱進(jìn)行屈曲分析十分必要。

框架結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷代表值的最大值可取為H/250[4]，H為框架總高度，計(jì)算中最大缺陷值為150 mm?？紤]P-Δ效應(yīng)，組合系數(shù)采用1.0恒荷載+0.5活荷載。交叉斜柱底、頂梁上考慮幕墻拉索傳遞的壓力荷載，均布線荷載為175 kN/m，因幕墻拉索與結(jié)構(gòu)梁之間存在偏心，考慮交叉斜柱底、頂梁上作用均布扭矩為110 kN·m。

經(jīng)分析第一階線性屈曲的臨界荷載為38.5倍初始荷載，屈曲模態(tài)為交叉斜柱在X形平面外的屈曲，第一階屈曲模態(tài)見圖10。

4.6 樓板應(yīng)力分析

本工程門診樓主要樓板尺寸為X向125 m，Y向87 m，平面呈L形布置，且平面開有較多洞口。兩方向的尺寸均超出了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]規(guī)定的伸縮縫最大間距，需要對(duì)樓板進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，確定合理的后澆帶合攏溫度之后，溫差取值如下:升溫+20 ℃，降溫-25 ℃。在進(jìn)行溫度應(yīng)力分析時(shí)，考慮了混凝土的徐變應(yīng)力松弛及混凝土構(gòu)件剛度退化的影響，將溫度作用乘以折減系數(shù)0.3，折減后溫差取升溫+6 ℃，降溫-8 ℃。首層頂板降溫工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖11，圖12。

在降溫作用下，大部分樓板拉應(yīng)力值在1.0 MPa～2.0 MPa之間，樓板開洞及電梯井洞口周邊存在局部拉應(yīng)力集中區(qū)域，通過局部加強(qiáng)配筋并增加板厚解決。隨著樓層的增高，上部各層裙房樓板的溫度應(yīng)力均較首層頂板顯著降低。

4.7 樓板應(yīng)力分析

地震作用下樓板為水平力傳遞的主要構(gòu)件，樓板的完整性可確保鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。本項(xiàng)目平面開洞較多，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土交界部位樓板寬度十分有限，對(duì)結(jié)構(gòu)在交接部位樓板失效的情況下進(jìn)行了補(bǔ)充計(jì)算，以便驗(yàn)證鋼結(jié)構(gòu)部分是否具有獨(dú)立承擔(dān)地震作用的能力。采用ETABS計(jì)算模型，考慮門診樓連接部位局部樓板剛度退化，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)部分的層間位移角進(jìn)行了復(fù)核(按照鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值1/250控制)，樓板剛度退化范圍見圖13。經(jīng)計(jì)算當(dāng)?shù)卣鹧豖,Y方向作用時(shí)，考慮連接部位樓板弱化后鋼結(jié)構(gòu)端部各層的層間位移角相比剛性樓板模型均有不同程度的增大，但層間位移角均滿足規(guī)范限值的要求。這表明鋼結(jié)構(gòu)部分在不依靠混凝土結(jié)構(gòu)的情況下，其結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度亦可滿足設(shè)計(jì)要求。

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主立面交叉斜柱通過正負(fù)零轉(zhuǎn)換梁支撐，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸分為800 mm×1 800 mm,800 mm×2 650 mm兩種。交叉斜柱的柱腳節(jié)點(diǎn)是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。斜柱柱腳采用剛接柱腳，考慮梁頂部縱筋密集，采用預(yù)埋鋼骨的柱腳做法施工較為困難，最終確定柱腳底部與轉(zhuǎn)換梁頂部采用預(yù)埋件進(jìn)行連接，預(yù)埋件錨筋及錨板考慮柱腳的彎矩及剪力進(jìn)行設(shè)計(jì)。做法見圖14，圖15。

內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)柱柱腳埋入地下1層混凝土柱內(nèi)，埋入深度3d。地下室柱截面為900 mm×900 mm，為了保證構(gòu)造要求，埋入段混凝土柱截面加大至1 100 mm×1 100 mm，鋼柱外側(cè)混凝土保護(hù)層厚度為250 mm。預(yù)埋段鋼柱周邊設(shè)置抗剪栓釘，埋入段鋼柱內(nèi)部灌注C40無收縮混凝土，具體做法見圖16。

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)交接部位，鋼梁與混凝土梁、柱采用預(yù)埋件連接，節(jié)點(diǎn)采用鉸接形式，典型做法如圖17所示。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目已經(jīng)竣工并投入使用，為武漢抗擊2020年新冠疫情發(fā)揮了重要作用。門診樓X形交叉斜柱形成的候診大廳效果良好，竣工后的實(shí)景圖見圖18。

1)通過小震反應(yīng)譜、小震彈性時(shí)程分析，大震靜力推覆分析及對(duì)交叉斜柱的屈曲分析，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

2)X形交叉斜柱的柱腳節(jié)點(diǎn)是本工程的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

3)屈曲約束支撐對(duì)減小整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，效果十分明顯。

4)本項(xiàng)目樓板開洞較多，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土交接部位考慮樓板剛度退化情況進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算十分必要，可以確保鋼結(jié)構(gòu)框架在地震下的獨(dú)立工作性能。