某醫(yī)院內(nèi)科病房綜合樓結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用

吳文學(xué)

1 工程概況

本工程位于鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院西南轉(zhuǎn)角處,項(xiàng)目總建筑面積約45 354 m2,地上主體 26層,地下2層,建筑自室外地坪到主要屋面板頂高度為99.4 m;地下2層為甲6級(jí)人防,地下室1層為地下停車庫(kù);地下2層層高為 6.0 m,地下1層層高為5.1 m;地面以上為藥房、護(hù)理用房、設(shè)備用房等,1層層高為4.8 m,2層～5層層高均為4.1 m,設(shè)備層2.2 m,6層～25層層高均為3.6 m,26層層高為4.0 m。北側(cè)樓層外挑層數(shù)為1層～26層,外挑寬度為3.75 m,下部樓層寬度與上部樓層寬度之比為22.75/26.5=0.85＜0.9,屬豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。工程抗震設(shè)防類別為乙類,工程建筑抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g,地震設(shè)計(jì)分組為第一組,場(chǎng)地類別:Ⅱ類,場(chǎng)地特征周期為0.35 s。

2 整體初步設(shè)計(jì)

在高層建筑中,傾覆力矩是一個(gè)很重要而且必須關(guān)注的問題,一方面要盡可能采用大跨度的樓蓋結(jié)構(gòu)體系,取消內(nèi)柱,以加寬抗傾覆力矩的力臂;另一方面應(yīng)盡可能地將樓蓋所承受的重量直接傳給最外邊緣的抗傾覆力矩的豎向構(gòu)件,這樣就可能以預(yù)壓力來平衡(或減少)傾覆力矩所產(chǎn)生的軸向拉力。本工程北側(cè)樓層由于場(chǎng)地限制,為了充分利用空間,采用層層外挑的結(jié)構(gòu)布置。本工程高寬比為99.4/22.75=4.36,對(duì)常規(guī)結(jié)構(gòu)而言,規(guī)范適用的高寬比上限為5,而本工程層層外挑,結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。在初步設(shè)計(jì)時(shí),遵循上述原則,使南側(cè)柱距盡可能大(柱距9.3 m),利用結(jié)構(gòu)自重平衡(或減少)傾覆力矩所產(chǎn)生的軸向拉力。Y軸抗傾覆彎矩見表1。

表1 抗傾覆彎矩

3 結(jié)構(gòu)選型與布置

延性結(jié)構(gòu)、超靜定結(jié)構(gòu)是可以實(shí)現(xiàn)多道設(shè)防的結(jié)構(gòu),是抗震設(shè)計(jì)的基本要求。在抗震設(shè)計(jì)中采用雙重抗側(cè)力體系可以實(shí)現(xiàn)多道設(shè)防,框架—剪力墻(筒體)、框架—核心筒、筒中筒等都是由框架和剪力墻兩類結(jié)構(gòu)組成,通過結(jié)構(gòu)的合理布置,采取可靠的抗震措施,使抗側(cè)力構(gòu)件具有足夠的承載力和延性,實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)的多道設(shè)防。通常把剪力墻作為第一道防線進(jìn)行拆分,與剪力墻相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件按照所起耗能作用的強(qiáng)弱程度在其內(nèi)部進(jìn)行劃分,及弱連梁、聯(lián)肢墻連梁以及聯(lián)肢墻(或剪力墻)。在剪力墻中表現(xiàn)為耗能元件的是弱連梁和聯(lián)肢墻連梁,因?yàn)榧袅Α⒑诵耐驳膭偠却?吸收的地震剪力大,地震作用將在剪力墻(或聯(lián)肢墻)間分配,剪力墻間相對(duì)弱的連梁首先進(jìn)入耗能狀態(tài),連梁梁端產(chǎn)生塑性變形,耗散地震能量,剪力墻的剛度降低,塑性內(nèi)力的重分配使框架內(nèi)力增加,框架部分與各獨(dú)立墻肢組成延性結(jié)構(gòu),兩者共同抵抗地震。利用建筑的垂直交通系統(tǒng),在東西設(shè)置兩個(gè)剛度較大的鋼筋混凝土筒體,作為結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件。為了提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度,在不影響建筑使用功能的前提下,在周邊布置一定數(shù)量的剪力墻。通過弱連梁、聯(lián)肢墻連梁、框架梁的連接,構(gòu)成框架—剪力墻(筒體)的雙重抗側(cè)力體系。

4 結(jié)構(gòu)的整體分析計(jì)算

結(jié)構(gòu)的整體彈性分析主要采用SATWE,同時(shí)采用PMSAP的程序進(jìn)行比較計(jì)算。基本風(fēng)壓按100年重現(xiàn)期取值,W0=0.50 kN/m2,地面粗糙度類別:C類。地震影響系數(shù)αmax=0.12,考慮偶然偏心和雙向地震作用,結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為:剪力墻一級(jí),框架一級(jí)。彈性計(jì)算結(jié)果見表2,表3。

表2 彈性計(jì)算結(jié)果比較

表3 結(jié)構(gòu)自振周期

由表2,表3可知,兩模型的彈性分析結(jié)果基本一致,結(jié)構(gòu)的底部總剪力、最大層間位移角、周期、周期比均正常,滿足規(guī)范要求,整體穩(wěn)定性驗(yàn)算均符合要求。在偶然偏心影響的地震作用下,樓層最大位移比為1.18,表明結(jié)構(gòu)的平面布置較為規(guī)則,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不是很明顯;結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比為0.75＜0.9,表明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度較強(qiáng);結(jié)構(gòu)在 X軸和 Y軸方向的位移角、周期都比較接近,表明結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近。

5 結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈性時(shí)程分析

為校核振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果,采用SATWE軟件進(jìn)行動(dòng)力彈性時(shí)程分析。計(jì)算采用一條人工波(RH4TG035),兩條天然波(TH3TG040,TH3TG045),取地震最大加速度55 cm/s2,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05,圖1,圖2為90°方向的結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈性時(shí)程分析的結(jié)果;每條動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)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,數(shù)據(jù)取于計(jì)算文件),四條動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)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,數(shù)據(jù)取于計(jì)算文件),說明所選擇的三條波符合規(guī)范要求,可以采用這三條地震波的計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 動(dòng)力彈性時(shí)程分析結(jié)果

6 結(jié)語

1)高層建筑中,應(yīng)關(guān)注傾覆力矩的問題,并在初步設(shè)計(jì)時(shí)整體把握。2)應(yīng)采用雙重抗側(cè)力體系,通過可靠的抗震措施,使抗側(cè)力構(gòu)件具有足夠的承載力和延性,實(shí)現(xiàn)多道設(shè)防。3)通過兩種計(jì)算軟件的對(duì)比分析,彈性分析計(jì)算結(jié)果的合理性,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中應(yīng)用的重要性。

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[5]張 軍.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2009,35(19):64-65.