某医院门诊医技楼、病房楼结构设计关键点分析

邵华良　（安徽省建筑科学研究设计院，安徽　合肥　230001）



某医院门诊医技楼、病房楼结构设计关键点分析

邵华良（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥230001）

结构工程设计中，应准确把握关键点的理解与分析，确定设计目标和计算方法。结构工程师抗震设计的基本要素是做到针对性地采取行之有效的结构分析、计算、设计和结构措施，从而改善提高结构的抗震能力；而不应仅片面追求具体计算数值上。

结构嵌固层；抗震缝；楼梯整体分析；少量剪力墙框架；薄弱部位；特殊构件

1　工程概况

某医院门诊医技楼和病房楼因建筑功能要求，位于一大底盘地下室上，地下室连成一体，层高5.7m，不允许设置结构缝；地面以上形成2个独立的结构区域（门诊医技楼、病房楼区）。门诊医技楼整个平面近似显矩形布置，地上部分最大外轮廓平面尺寸约为：180×111.6m，典型柱网为：7.8×8.4m，地上共4层，一层层高5.4m，二～四层层高4.5m，主体结构高度为19.20m（计入室内外高差）；平面两个方向超长，且结构布置复杂，按照平面布置力求规则、简单，尽量减少突出与凹进，避免形成特别不规则结构体系的原则，并结合建筑功能，将平面设缝划分为4个独立结构单元（1区～4区），结构体系为框架结构。病房楼平面呈长矩形布置，地上部分最大外轮廓平面尺寸约为：164.7×26.0m，典型柱网为：7.8×8.4m 和7.8×7.5m，地上共16层，一层层高5.4m，二～四层层高4.5m，标准层层高3.9m，主体结构高度为66.0m（计入室内外高差）；由于楼层结构平面长度大大超过了规范限值，同时平面宽度最小16.8m至最大26.0m变化不等，根据建筑功能，设缝分为3个独立结构单元（5区～7区），结构体系为框架剪力墙结构。

2　结构设计关键点分析

图1　门诊医技楼结构单元平面布置图

图2　综合病房楼结构单元平面布置图

图3

2.1上部结构嵌固层位置的设置及相关设计要求控制的分析

通过对本工程各塔楼、各结构单元计算模型简化、合理性、层间刚度比、地下室顶板构造等因素综合分析，确定嵌固层位置设于地下室顶板处为最合理选择。

2.1.1嵌固层位置设定概念设计分析

嵌固层设置的位置不同，决定了计算模型及设计分析的不同，本工程为仅地下室连为整体的多塔、多单元结构，一般情况下可不认定为《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）第10.6节规定的复杂多塔楼结构体系，但当地下室顶板不能作为上部结构嵌固部位（嵌固于基础顶面或下延地下室一层底板）时，地下室顶板设计与计算应考虑多塔楼、多结构单元的相互作用影响，需将地下室作为大底盘与上部各栋塔楼或各结构单元整体建模计算，同时还需与嵌固于地下室基础上的各单塔楼建立模型（考虑相关范围）进行校核包络计算，此时工程计算容量显著增加，计算机往往受容量限制。由于本工程地下室以上各塔楼、各单元结构体系不同、楼层数不同，平面尺寸不同，结构刚度差别大，整体计算时，难以准确分析应力特性，为简化计算模型，同时又能较准确地反映结构实际受力状况，选择了地下室顶板作为上部结构嵌固部位，此时可分塔楼、分结构单元（地下室考虑相关范围分割）分析计算设计。

2.1.2嵌固端计算模型分类及对上部结构计算结果的影响

①实际工程中，对上部结构嵌固的计算模型根据约束变形特点一般可分为：“绝对嵌固模型”，就是嵌固端完全约束（水平位移、竖向位移和转角位移均为零）。“一般嵌固模型”：就是嵌固端水平位移完全约束（水平位移，竖向位移为零，而转角位移不为零），带地下室且在地下室顶面嵌固的模型属于“一般嵌固模型”。“按地下室刚度计算的嵌固模型”：就是将地下室基础作为绝对嵌固端，地下室按实际刚度并考虑土体对地下室刚度的影响。

②采用“绝对嵌固模型“时，由于地下室侧向刚度假设无限刚，结构吸收地震作用力偏大，结构位移较小，几乎不变形，此时较容易满足《高规》第3.5.2-2条中对结构底部嵌固层γ2≥1.5要求，一般仅用于结构的比较计算；按“地下室刚度计算的嵌固模型”能较好地模拟地下室对上部结构楼层侧向刚度的影响，但难以准确模拟地下室外填土对地下室侧向刚度的影响，计算前提较粗，计算结果准确性较低，可用在地下室侧向刚度较小、地下室水平位移较大的情况（如自带地下室单栋建筑），尽管计算模型从理论上对地下室是较合理的模拟，但由于四周地基计算参数取值复杂，带有较大的不确定性，因此一般情况下不宜采用，在特定的条件下可作比较计算。按“一般嵌固模型”计算时，能较准确地反映结构在水平力（如风荷载、地震荷载等）作用下上部结构的竖向构件在地下室顶面的转动实际情况，但此时要求地下室侧向刚度较大，需满足《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）第6.1.14-2条和《高规》第5.3.7条要求，同时由于对地下室刚度假设偏大，上部结构吸收地震作用力仍偏大，结构位移较小（小到可以忽略不计程度），计算比较表明，对于竖向构件在嵌固端有转角时，对《高规》第3.5.2-2条中结构底部嵌固层γ2≥1.5一般较难满足，应通过调整竖向构件刚度来满足计算要求，一般工程应优先考虑该计算模型，本工程基于上述分析，采用此模型计算。

2.1.3满足“一般嵌固模型”计算与设计的要求

①地下室四周外墙与填土应紧密接触，满足《高规》第12.2.6条要求，作为判定上部结构嵌固部位的重要因素，一般情况下，地下室外侧四周较密实回填土对地下室侧向刚度的贡献通常是地下室自身侧向刚度的3～5倍。

②为保证地下室顶板的整体刚度，本工程从楼板开洞、混凝土强度、楼板及梁结构布置形式、楼板厚度，楼板配筋等各方面考虑，均满足《抗规》第6.1.14-1条和《高规》第3.6.3条要求，使地下室顶板有足够的平面内和平面外刚度，保证有效传递地震剪力作用。

③嵌固端上、下层侧向刚度比取值。对地下室顶板作为上部结构嵌固部位的条件，《抗规》、《高规》都有明确规定，其中一条是：结构地上一层的侧向刚度不宜大于地下一层相关范围侧向刚度的0.5倍，相关范围一般取主楼及周边外延不大于3跨或20m。本工程由于各结构单元之间仅设缝分隔，没有相应的外延范围，其相关范围取各自结构单元投影区域，此时地上一层与地下室侧向刚度比值可按有效数字控制，即不大于0.54，相当于地下室侧向刚度需大于地上结构的1.85倍（可不需要绝对满足2倍要求），为满足该比值，通过调整或适度增设地下室竖向构件，同时也尽可能保证建筑对空间的要求。

2.2抗震缝的设置及宽度要求的分析

2.2.1抗震缝设置的原则

《抗规》明确规定：对于体形复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度，地基基础条件和技术经济因素的比较分析，确定设置抗震缝。本工程基于上述要求，对门诊医技楼、病房楼设置若干抗震缝，将原复杂的建筑平面分割为若干个较规则的结构单元，降低结构抗震设计的难度，有利于减轻房屋的扭转并能改善结构的抗震性能。

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2.2.2抗震缝宽度设计

①抗震缝宽度是以框架结构为基准的基础上进行规定的，《抗规》中明确规定：框架结构房屋的抗震缝宽度，当高度不超过15m时，不应小于100mm；高度超过15m时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm；但大量震害调查表明，按规范要求确定的抗震缝宽度，仅为最小宽度，在强烈地震下，仍有发生碰撞的可能，同时抗震缝两侧的建筑饰面尤其是瓷砖及其它硬质饰面实际减小了抗震缝的有效宽度，建筑物差异沉降也会造成抗震缝两侧结构彼此“靠拢”，减小抗震缝有效宽度，地震发生时，房屋的自由变形受到限制。

②本工程门诊医技楼各结构单元均为框架结构体系，其自身抗侧力刚度较小，同时各层平面楼板开洞较多且较大，又消弱了结构整体刚度，在水平荷载作用下，侧向变形大，同时考虑到该建筑结构抗震设防类别需按重点设防类设计等因素，结构设计中，采取适当加大结构刚度，抗震缝宽度取值不仅需满足规范一般要求，缝宽宜适度增加，按满足不小于两侧结构单体在中震作用下最大弹塑性位移值的要求设计。

2.3楼梯参与结构整体工作的分析

《抗规》第3.6.6和6.1.15条中明确，结构计算中应考虑楼梯构件的影响，对于框架结构，楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则，楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件受地震作用及其效应的影响，进行楼梯构件的抗震承载力验算。楼梯对框架结构整体影响，通过本工程门诊医技楼3区三维计算模型（如图）及计算结果如下表。

计算结果表明：加楼梯后X、Y向的刚度提高，楼层位移减少，但X、Y向位移角，位移比增大，说明造成楼层结构刚心下移，扭转变形加大，因此楼梯加入到整体模型分析中可能对结构产生不利影响。本工程框架结构中楼梯设计把握了以下几点：①结构分析中考虑楼梯中刚度贡献，仅通过构造措施无法保证主体结构安全，楼梯结构对主体结构抗震能力影响很大；②梯梁布置尽可能不与主体框架柱相连，避免形成短柱甚至超短柱或错层柱，在结构分析时予以充分重现；③梯板与楼板一样传递水平地震作用（除楼梯支座设滑动支座外），因此对梯板配筋除按静力荷载计算外，还必需按符合实际地震力作用情况的模型计算，两者取包络配筋；④楼梯间角柱、梯梁及梯柱配筋应考虑结构整体计算。

2.4剪力墙设计分析

2.4.1少量剪力墙框架结构

《抗规》第6.1.3条规定，设置少量抗震墙的框架结构，在规定的水平力作用下，底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时，其框架的抗震等级按框架结构确定，抗震墙的抗震等级可与其框架的抗震等级相同。本工程门诊医技楼2区基于上述原则，在各层平面中布置了少量剪力墙，目的是：

①在多遇地震作用下，其纯框架的弹性层间位移角不能满足规范不大于1/550的要求时，通过布置少量剪力墙，使结构的弹性层间位移角能满足规范，此时，设置少量剪力墙的目的在于满足规范的框架结构的位移限值要求。

②提高框架结构侧向刚度，减小结构在多遇地震作用下的变形，设置少量剪力墙能适当改善框架结构的抗震性能。

2.4.1.2少量剪力墙框架计算分析

①首先按框架剪力墙结构体系计算，剪力墙应按计算结果进行配筋并满足相应抗震等级的抗震构造措施要求，结构的弹性层间位移角限值宜根据框架部分承担的倾覆力矩Mc与总倾覆力矩Mo的比值确定。本工程门诊医技楼2区为设有少量剪力墙框架结构，其弹性层间位移值限值依据《抗规》第6.1.3条文说明并参考北京市建筑设计研究院编著的《建筑结构专业技术措施》中有关规定，当Mc/Mo≤0.5时，结构的弹性层间位移角限值宜满足1/800；当Mc/Mo≥0.7时，结构的弹性层间位移角限值应满足1/550；当0.5＜Mc/Mo＜0.7时，按线性内插取值。

②再按照不计入剪力墙的纯框架结构体系计算，框架应按框架剪力墙计算结果与纯框架结构的计算结果两者的较大值进行配筋，并满足相应抗震等级的抗震构造措施的要求，同时补充纯框架结构的大震弹塑性位移验算，并应满足规范对框架结构的要求。

2.4.2框架剪力墙中剪力墙布置位置的分析

本工程病房楼5、6、7区属高层框架剪力墙结构，剪力墙位置设置时，要求避免两侧楼板全部开洞的剪力墙或楼梯间设于楼平面端部时无楼板约束的剪力墙布置。此类情况往往在计算中认为发挥了作用，计算结果指标良好，但实际由于剪力墙两侧全部开洞，无楼板约束，楼板并不能将水平力有效地传递至该片剪力墙上，受力完全与建立的计算模型不相符，会造成其它墙肢和框架柱实际受力比计算值大，当两侧楼板全部开洞的剪力墙计算所承受的水平剪力较大时，则与结构实际受力状态误差更大，会造成其它抗侧力构件的承载力不安全，对框架剪力墙结构更危险，本工程特别予以重现。此时通过与其它专业协商，尽可能将一部分开洞移至别处，或预留板的受力钢筋要求在安装好设备管道后，立即封堵洞口，或避免楼面端部楼梯间处设置边缘横向剪力墙，减小楼板洞口尺寸，并采用其它有效的构造措施（如设拉梁、拉板等），使结构水平力能可靠的传递至该片剪力墙上，与实际计算分析相符，保证结构体系的安全。

2.5薄弱部位、特殊构件计算分析与把握

2.5.1楼板非刚性分析

本工程门诊医技楼1、2、3、4区因建筑功能需要，楼板局部开有大洞或有平面较大的凹凸，部分楼板还出现细窄长连廊相连，形成多处薄弱部位，对于此类楼板形状较复杂的结构平面，楼板平面内刚度有较大的消弱且不均匀，楼板平面内的变形会使楼层内抗侧力刚度较小的构件的位移和内力增大，采用刚性楼板（即平面内无限刚、平面外为零）与实际受力不相符，不能保证这些构件的计算结果的可靠性，在结构分析计算时，为了真实地反映楼板平面内的刚度，同时又不影响梁的配筋，采用了SATWE中“弹性膜”假定计算，即假定楼板在平面内的刚度为真实刚度，而楼板平面外的刚度为零，楼板平面内的刚度采用平面应力膜单元计算。为提高分析效率，本工程弹性板分区域定义在需要的局部区域上，弹性板把整层楼板分隔成几块刚性楼板，并采用总刚分析；对于结构位移比、周期比、楼层侧向刚度比等还应补充刚性楼板假定计算。

2.5.2特殊构件的补充计算分析

本工程门诊医技楼中，对于出现楼板平面弱连接处，采用PMSAP进行中震作用下楼板弹性应力分析补充计算，查明应力云图分布状况，有针对性地采取了加强配筋，加厚楼板及相应的构造措施。

对于楼层间出现穿层柱，补充增加了挠曲杆件产生的二阶效应（P-δ效应）计算，按穿层柱同一榀框架短柱端最大地震剪力与穿层柱端地震剪力比对穿层柱端剪力作修正放大计算，同时为增强穿层柱延性，采取增大主筋、箍筋配筋率，全高加密箍筋等构造措施。

3　结论

通过对以上工程设计中关键点的分析把握和设计要求，体会到结构设计时不仅是对规范条文和计算数据的满足，还应该了解规范条文规定的过程和目的，从而能达到对工程结构实际具体问题具体分析，切实做到因工程而异，同一工程各构件抗震性能要求而异，确定设计目标和标准，建筑工程结构设计真正做到满足抗震设防目标：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

[1]JGJ-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[3]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[4]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5]姜学诗.混凝土结构设计问答实录[M].北京：机械工业出版社，2009.

TU318

A

1007-7359(2016)03-0071-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.024

邵华良（1963-），男，安徽合肥人，高级工程师，国家注册一级结构工程师，院副总工程师。