某医院内科病房综合楼结构概念设计的应用

吴文学

1 工程概况

本工程位于郑州大学第二附属医院西南转角处,项目总建筑面积约45 354 m2,地上主体 26层,地下2层,建筑自室外地坪到主要屋面板顶高度为99.4 m;地下2层为甲6级人防,地下室1层为地下停车库;地下2层层高为 6.0 m,地下1层层高为5.1 m;地面以上为药房、护理用房、设备用房等,1层层高为4.8 m,2层～5层层高均为4.1 m,设备层2.2 m,6层～25层层高均为3.6 m,26层层高为4.0 m。北侧楼层外挑层数为1层～26层,外挑宽度为3.75 m,下部楼层宽度与上部楼层宽度之比为22.75/26.5=0.85＜0.9,属竖向不规则结构。

建筑结构的安全等级为二级。结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为乙类,工程建筑抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.15g,地震设计分组为第一组,场地类别:Ⅱ类,场地特征周期为0.35 s。

2 整体初步设计

在高层建筑中,倾覆力矩是一个很重要而且必须关注的问题,一方面要尽可能采用大跨度的楼盖结构体系,取消内柱,以加宽抗倾覆力矩的力臂;另一方面应尽可能地将楼盖所承受的重量直接传给最外边缘的抗倾覆力矩的竖向构件,这样就可能以预压力来平衡(或减少)倾覆力矩所产生的轴向拉力。本工程北侧楼层由于场地限制,为了充分利用空间,采用层层外挑的结构布置。本工程高宽比为99.4/22.75=4.36,对常规结构而言,规范适用的高宽比上限为5,而本工程层层外挑,结构的整体稳定性的设计显得尤为重要。在初步设计时,遵循上述原则,使南侧柱距尽可能大(柱距9.3 m),利用结构自重平衡(或减少)倾覆力矩所产生的轴向拉力。Y轴抗倾覆弯矩见表1。

表1 抗倾覆弯矩

3 结构选型与布置

延性结构、超静定结构是可以实现多道设防的结构,是抗震设计的基本要求。在抗震设计中采用双重抗侧力体系可以实现多道设防,框架—剪力墙(筒体)、框架—核心筒、筒中筒等都是由框架和剪力墙两类结构组成,通过结构的合理布置,采取可靠的抗震措施,使抗侧力构件具有足够的承载力和延性,实现抗震设计的多道设防。通常把剪力墙作为第一道防线进行拆分,与剪力墙相关联的构件按照所起耗能作用的强弱程度在其内部进行划分,及弱连梁、联肢墙连梁以及联肢墙(或剪力墙)。在剪力墙中表现为耗能元件的是弱连梁和联肢墙连梁,因为剪力墙、核心筒的刚度大,吸收的地震剪力大,地震作用将在剪力墙(或联肢墙)间分配,剪力墙间相对弱的连梁首先进入耗能状态,连梁梁端产生塑性变形,耗散地震能量,剪力墙的刚度降低,塑性内力的重分配使框架内力增加,框架部分与各独立墙肢组成延性结构,两者共同抵抗地震。利用建筑的垂直交通系统,在东西设置两个刚度较大的钢筋混凝土筒体,作为结构主要抗侧力构件。为了提高结构的抗扭刚度,在不影响建筑使用功能的前提下,在周边布置一定数量的剪力墙。通过弱连梁、联肢墙连梁、框架梁的连接,构成框架—剪力墙(筒体)的双重抗侧力体系。

4 结构的整体分析计算

结构的整体弹性分析主要采用SATWE,同时采用PMSAP的程序进行比较计算。基本风压按100年重现期取值,W0=0.50 kN/m2,地面粗糙度类别:C类。地震影响系数αmax=0.12,考虑偶然偏心和双向地震作用,结构抗震等级为:剪力墙一级,框架一级。弹性计算结果见表2,表3。

表2 弹性计算结果比较

表3 结构自振周期

由表2,表3可知,两模型的弹性分析结果基本一致,结构的底部总剪力、最大层间位移角、周期、周期比均正常,满足规范要求,整体稳定性验算均符合要求。在偶然偏心影响的地震作用下,楼层最大位移比为1.18,表明结构的平面布置较为规则,扭转效应不是很明显;结构的第一扭转周期与第一平动周期之比为0.75＜0.9,表明结构的抗扭刚度较强;结构在 X轴和 Y轴方向的位移角、周期都比较接近,表明结构在两个主轴方向的动力特性相近。

5 结构动力弹性时程分析

为校核振型分解反应谱法的计算结果,采用SATWE软件进行动力弹性时程分析。计算采用一条人工波(RH4TG035),两条天然波(TH3TG040,TH3TG045),取地震最大加速度55 cm/s2,结构阻尼比为0.05,图1,图2为90°方向的结构动力弹性时程分析的结果;每条动力时程分析计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,数据取于计算文件),四条动力时程分析计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,数据取于计算文件),说明所选择的三条波符合规范要求,可以采用这三条地震波的计算结果与振型分解反应谱法的计算结果进行比较,计算结果见表4。

表4 动力弹性时程分析结果

6 结语

1)高层建筑中,应关注倾覆力矩的问题,并在初步设计时整体把握。2)应采用双重抗侧力体系,通过可靠的抗震措施,使抗侧力构件具有足够的承载力和延性,实现多道设防。3)通过两种计算软件的对比分析,弹性分析计算结果的合理性,验证了结构概念设计在实际工程中应用的重要性。

[1]高立人,方鄂华,钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].北京:中国计划出版社,2008.

[2]冯 军.9度设防区某办公楼主体结构设计[J].建筑结构,2009,8(39):27-28.

[3]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范(2008年版)[S].

[4]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5]张 军.关于高层建筑结构的抗震概念设计[J].山西建筑,2009,35(19):64-65.