泰康同济(武汉)医院门诊楼结构设计分析

王 雷，刘 博，董全利

(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.西安建筑科技大学，北京 710055； 3.悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013)

1 工程概况

泰康同济(武汉)医院项目位于武汉市汉阳区四新北路与连通港西路交汇处。总建筑面积270 000 m2，其中地上建筑面积为180 000 m2，地下建筑面积90 000 m2。项目由3栋高层塔楼(A，B，C塔)及其相连裙房和门诊楼、癌症中心(D楼)、办公楼(E楼)共同组成。满铺地下室2层，地下室底板顶标高为-10.300 m，项目整体效果见图1。

A，B，C塔楼及裙房形成大底盘多塔楼结构，门诊楼与A楼之间设防震缝，缝净宽200 mm，形成独立的结构单元，门诊楼平面位置及防震缝设置如图2所示。本文主要针对门诊楼及结构的设计分析及控制要点进行介绍。

门诊楼平面呈“L”形，与其他塔楼共用整体地下室，地下共2层。L形X向采用钢筋混凝土框架结构，地上共4层，结构高度20.40 m，混凝土框架最左端楼梯间处设置屈曲约束支撑(BRB)。L形Y向采用钢框架结构，地上共3层，结构高度15.40 m。为满足建筑立面效果，钢框架外围采用3层通高的X形斜柱。混凝土框架楼盖采用现浇混凝土梁板结构，钢框架部分楼板采用压型钢板组合楼盖，与混凝土部分在平面上连为整体。

2 结构设计参数

设计使用年限50 a，抗震设防类别：乙类；结构安全等级：一级；结构重要性系数：1.1[1]；抗震设防烈度7度，基本地震加速度值0.10g。

设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类，多遇地震下场地特征周期为0.45 s。地震影响系数取值：小震按规范和区划图取包络值αmax=0.108，中震αmax=0.23，大震αmax=0.50[2]。抗震等级：混凝土框架二级；钢框架三级，嵌固部位为地下2层顶面。

3 结构体系

19轴左侧为混凝土框架结构，19轴右侧为钢框架结构，典型柱网为9 m×9 m。钢框架内部为圆形钢管柱，外侧采用X形交叉箱型斜柱，其中候诊大厅正立面采用三层通高交叉箱型斜柱，交叉斜柱通过±0的混凝土转换梁支撑。因交叉斜柱抗侧刚度较大，在最左侧混凝土框架部位局部设置屈曲约束支撑，以便减小整体结构的扭转效应[3]。结构平面布置如图3所示，正立面X形斜柱布置如图4所示，X形斜柱施工期间的实景如图5所示。

混凝土框架柱截面为800 mm×900 mm，800 mm×800 mm，混凝土楼盖采用平行双次梁布置，框架梁截面为600 mm×800 mm，400 mm×800 mm，次梁为300 mm×700 mm。内部钢框架柱采用圆形及箱型截面，典型尺寸为P600×18，P600×30，B600×600×22×22。钢框架周边X形斜柱尺寸为B600×400×22×22，B600×400×25×25。钢框架楼盖采用压型钢板组合楼盖，楼盖次梁采用单向次梁布置，次梁间距满足压型钢板施工阶段要求。混凝土强度等级:框架柱为C40，框架梁板C30，钢梁钢柱为Q345B。压型钢板型号采用闭口型YXB65-170-510(B)，厚度为1.2 mm，双面镀锌总量不小于270 g/m2，地上各层楼板厚度均为120 mm。

地下1层顶板采用现浇钢筋混凝土十字次梁体系，门诊楼投影范围内板厚为160 mm，地下室覆土区域板厚为250 mm。地下1层顶板与车库地下室顶板高差较大，相邻处梁板采用加腋处理，见图6。以避免门诊楼地下1层框架柱形成极短柱，同时使地下室顶板可有效传递水平力；地下2层顶板作为上部结构的嵌固部位，采用主梁+大板体系，板厚为250 mm。

4 结构分析

本项目为平面不同区域的混凝土与钢结构的混合结构，且存在楼板不连续、跃层斜柱，结构体系较为复杂。因此在初步设计及施工图设计阶段做了比较详细的计算分析。

4.1 多遇地震反应谱分析

计算软件采用YJK 1.8.3，并用Etabs V9.7.4进行校核，选取地下室相关范围进行整体分析。三维计算模型见图7。

主要计算结果见表1，两个软件计算结果比较接近，模型分析结果是合理可靠的。

表1 反应谱分析结果

4.2 多遇地震弹性时程分析

本项目选用的多遇地震时程波参数见表2。

表2 时程波参数

将时程波峰值修正至35 gal，将三条时程波进行波谱拟合并与规范谱对比，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线在结构主要振型周期点上相差不大于20%。单条(组)输入时，各条波基底剪力满足振型分解反应谱法的0.65倍～1.35倍要求。多条(组)输入时，各组基底剪力平均值满足振型分解反应谱法基底剪力的0.80倍～1.20倍的要求。

多遇地震时程分析X向基底剪力与Y向基底剪力与反应谱分析的比较结果见表3。三条时程波的包络楼层剪力分布与反应谱分析总体差别不大，X向在3层以上时程分析比反应谱分析略大1.5%～3.1%，全楼地震作用放大系数1.031；Y向在2层以上时程分析比反应谱略大约2.7%～7.4%，全楼放大系数1.074。施工图设计阶段采用了反应谱结果乘以地震作用放大系数的方法进行设计。

表3 多遇地震时程与反应谱分析基底剪力对比

4.3 屈曲约束支撑(BRB)设置的必要性

门诊楼结构形式属于钢-混凝土混合结构，建筑平面呈“L”形，X向主体结构为混凝土结构，Y向附属结构为钢结构。为满足建筑立面需求，钢结构框架外围设置了较多的交叉斜柱，大幅度增强了结构Y方向的抗侧刚度，由于交叉斜柱偏置在结构的右侧，导致整体结构扭转效应较为明显，未设置屈曲约束支撑时，地震作用下结构另一端的位移较大，整体结构的位移比难以满足规范限值要求。基于以上原因，在对右侧钢结构斜撑及其顶部钢梁节点进行弱化处理的基础上，在左侧结构端部沿Y向设置了一榀屈曲约束支撑，用以增强左侧端部框架的抗侧刚度。

在小震作用下，有、无BRB框架结构X方向的扭转位移比均小于1.2，满足规范限值的要求，但无BRB框架在Y方向的扭转位移比为1.55，远大于1.4，超过了规范限值的要求。有BRB框架Y方向的扭转位移比为1.39，满足规范要求。这表明BRB可有效控制结构端部因结构扭转产生的位移。BRB现场施工之后的照片见图8。

4.4 罕遇地震下的静力推覆分析

本项目采用PKPM2010计算软件中的EPDA&PUSH模块进行整体结构静力弹塑性推覆分析，静力推覆参数如下：

初始荷载：1.0恒+0.5活；水平加载形式：矩形侧向荷载，加载方向：X向，Y向；阻尼比：0.05。

影响系数最大值：0.5；场地特征周期：0.50 s。

塑性铰定义及分配：

框架梁：采用M铰，铰的骨架曲线为FEMA类型；框架柱：采用P-M-M铰，不考虑柱的轴向屈服，考虑轴向弯曲的相关性，铰的骨架曲线为FEMA类型，见图9。

各性能点对应的破坏状态的定性描述如下：

性能点IO：构件只受到轻微破坏，无须修复即可继续使用；性能点LS：构件受到显著破坏但尚不危及生命安全，修复后可继续使用；性能点CP：构件受到严重破坏即将出现或已经出现强度退化，已不可修复使用，但构件尚能承受重力荷载而避免倒塌。

经分析，X向弹塑性最大层间位移角1/200，产生于2层，Y向弹塑性最大层间位移角1/286，产生于2层顶。X向,Y向弹塑性层间位移角均小于抗震性能控制标准的弹塑性层间位移角限值1/110，结构的X向,Y向层间位移角均满足弹塑性变形要求。

X向及Y向在性能点时的塑性铰主要集中在框架梁上，少量柱处于IO-LS段柱铰，没有永久水平偏置，承载力完好。

4.5 交叉斜柱的屈曲分析

本项目钢结构框架主立面局部设置了交叉斜柱，按照受力情况分为有侧向支承斜柱和无侧向支承斜柱，其中有侧向支撑斜柱平面内与楼面梁、板相连并受到后者的平面外约束作用；无侧向支承斜柱位于钢结构中庭周边，中庭三层通高，高度约15.4 m，此部分斜柱平面外无楼面梁和板提供约束。

外围护结构采用单层拉索幕墙结构体系，拉索的上下端分别锚固于交叉斜柱的底部和顶部，交叉斜柱因此承受了较大拉索预张力传递的压力。交叉斜柱在拉索荷载和其他各种荷载组合作用下的刚度、承载力和稳定性能直接关系到整体结构的安全，对通高的交叉斜柱进行屈曲分析十分必要。

框架结构整体初始几何缺陷代表值的最大值可取为H/250[4]，H为框架总高度，计算中最大缺陷值为150 mm。考虑P-Δ效应，组合系数采用1.0恒荷载+0.5活荷载。交叉斜柱底、顶梁上考虑幕墙拉索传递的压力荷载，均布线荷载为175 kN/m，因幕墙拉索与结构梁之间存在偏心，考虑交叉斜柱底、顶梁上作用均布扭矩为110 kN·m。

经分析第一阶线性屈曲的临界荷载为38.5倍初始荷载，屈曲模态为交叉斜柱在X形平面外的屈曲，第一阶屈曲模态见图10。

4.6 楼板应力分析

本工程门诊楼主要楼板尺寸为X向125 m，Y向87 m，平面呈L形布置，且平面开有较多洞口。两方向的尺寸均超出了《混凝土结构设计规范》[5]规定的伸缩缝最大间距，需要对楼板进行温度应力分析。

根据当地的气象资料，确定合理的后浇带合拢温度之后，温差取值如下:升温+20 ℃，降温-25 ℃。在进行温度应力分析时，考虑了混凝土的徐变应力松弛及混凝土构件刚度退化的影响，将温度作用乘以折减系数0.3，折减后温差取升温+6 ℃，降温-8 ℃。首层顶板降温工况下的应力计算结果见图11，图12。

在降温作用下，大部分楼板拉应力值在1.0 MPa～2.0 MPa之间，楼板开洞及电梯井洞口周边存在局部拉应力集中区域，通过局部加强配筋并增加板厚解决。随着楼层的增高，上部各层裙房楼板的温度应力均较首层顶板显著降低。

4.7 楼板应力分析

地震作用下楼板为水平力传递的主要构件，楼板的完整性可确保钢结构与混凝土结构协同工作。本项目平面开洞较多，钢结构与混凝土交界部位楼板宽度十分有限，对结构在交接部位楼板失效的情况下进行了补充计算，以便验证钢结构部分是否具有独立承担地震作用的能力。采用ETABS计算模型，考虑门诊楼连接部位局部楼板刚度退化，对钢结构部分的层间位移角进行了复核(按照钢结构层间位移角限值1/250控制)，楼板刚度退化范围见图13。经计算当地震沿X,Y方向作用时，考虑连接部位楼板弱化后钢结构端部各层的层间位移角相比刚性楼板模型均有不同程度的增大，但层间位移角均满足规范限值的要求。这表明钢结构部分在不依靠混凝土结构的情况下，其结构侧向刚度亦可满足设计要求。

5 节点设计

本项目主立面交叉斜柱通过正负零转换梁支撑，转换梁截面尺寸分为800 mm×1 800 mm,800 mm×2 650 mm两种。交叉斜柱的柱脚节点是本项目设计的重点。斜柱柱脚采用刚接柱脚，考虑梁顶部纵筋密集，采用预埋钢骨的柱脚做法施工较为困难，最终确定柱脚底部与转换梁顶部采用预埋件进行连接，预埋件锚筋及锚板考虑柱脚的弯矩及剪力进行设计。做法见图14，图15。

内部钢结构柱柱脚埋入地下1层混凝土柱内，埋入深度3d。地下室柱截面为900 mm×900 mm，为了保证构造要求，埋入段混凝土柱截面加大至1 100 mm×1 100 mm，钢柱外侧混凝土保护层厚度为250 mm。预埋段钢柱周边设置抗剪栓钉，埋入段钢柱内部灌注C40无收缩混凝土，具体做法见图16。

钢结构与混凝土结构交接部位，钢梁与混凝土梁、柱采用预埋件连接，节点采用铰接形式，典型做法如图17所示。

6 结语

本项目已经竣工并投入使用，为武汉抗击2020年新冠疫情发挥了重要作用。门诊楼X形交叉斜柱形成的候诊大厅效果良好，竣工后的实景图见图18。

1)通过小震反应谱、小震弹性时程分析，大震静力推覆分析及对交叉斜柱的屈曲分析，本项目实现了设定的抗震性能目标。

2)X形交叉斜柱的柱脚节点是本工程的设计重点。

3)屈曲约束支撑对减小整体结构的扭转效应，效果十分明显。

4)本项目楼板开洞较多，对钢结构与混凝土交接部位考虑楼板刚度退化情况进行补充计算十分必要，可以确保钢结构框架在地震下的独立工作性能。