某醫院門診醫技樓、病房樓結構設計關鍵點分析

邵華良　（安徽省建筑科學研究設計院，安徽　合肥　230001）

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某醫院門診醫技樓、病房樓結構設計關鍵點分析

邵華良（安徽省建筑科學研究設計院，安徽合肥230001）

結構工程設計中，應準確把握關鍵點的理解與分析，確定設計目標和計算方法。結構工程師抗震設計的基本要素是做到針對性地采取行之有效的結構分析、計算、設計和結構措施，從而改善提高結構的抗震能力；而不應僅片面追求具體計算數值上。

結構嵌固層；抗震縫；樓梯整體分析；少量剪力墻框架；薄弱部位；特殊構件

1　工程概況

某醫院門診醫技樓和病房樓因建筑功能要求，位于一大底盤地下室上，地下室連成一體，層高5.7m，不允許設置結構縫；地面以上形成2個獨立的結構區域（門診醫技樓、病房樓區）。門診醫技樓整個平面近似顯矩形布置，地上部分最大外輪廓平面尺寸約為：180×111.6m，典型柱網為：7.8×8.4m，地上共4層，一層層高5.4m，二～四層層高4.5m，主體結構高度為19.20m（計入室內外高差）；平面兩個方向超長，且結構布置復雜，按照平面布置力求規則、簡單，盡量減少突出與凹進，避免形成特別不規則結構體系的原則，并結合建筑功能，將平面設縫劃分為4個獨立結構單元（1區～4區），結構體系為框架結構。病房樓平面呈長矩形布置，地上部分最大外輪廓平面尺寸約為：164.7×26.0m，典型柱網為：7.8×8.4m 和7.8×7.5m，地上共16層，一層層高5.4m，二～四層層高4.5m，標準層層高3.9m，主體結構高度為66.0m（計入室內外高差）；由于樓層結構平面長度大大超過了規范限值，同時平面寬度最小16.8m至最大26.0m變化不等，根據建筑功能，設縫分為3個獨立結構單元（5區～7區），結構體系為框架剪力墻結構。

2　結構設計關鍵點分析

圖1　門診醫技樓結構單元平面布置圖

圖2　綜合病房樓結構單元平面布置圖

圖3

2.1上部結構嵌固層位置的設置及相關設計要求控制的分析

通過對本工程各塔樓、各結構單元計算模型簡化、合理性、層間剛度比、地下室頂板構造等因素綜合分析，確定嵌固層位置設于地下室頂板處為最合理選擇。

2.1.1嵌固層位置設定概念設計分析

嵌固層設置的位置不同，決定了計算模型及設計分析的不同，本工程為僅地下室連為整體的多塔、多單元結構，一般情況下可不認定為《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）第10.6節規定的復雜多塔樓結構體系，但當地下室頂板不能作為上部結構嵌固部位（嵌固于基礎頂面或下延地下室一層底板）時，地下室頂板設計與計算應考慮多塔樓、多結構單元的相互作用影響，需將地下室作為大底盤與上部各棟塔樓或各結構單元整體建模計算，同時還需與嵌固于地下室基礎上的各單塔樓建立模型（考慮相關范圍）進行校核包絡計算，此時工程計算容量顯著增加，計算機往往受容量限制。由于本工程地下室以上各塔樓、各單元結構體系不同、樓層數不同，平面尺寸不同，結構剛度差別大，整體計算時，難以準確分析應力特性，為簡化計算模型，同時又能較準確地反映結構實際受力狀況，選擇了地下室頂板作為上部結構嵌固部位，此時可分塔樓、分結構單元（地下室考慮相關范圍分割）分析計算設計。

2.1.2嵌固端計算模型分類及對上部結構計算結果的影響

①實際工程中，對上部結構嵌固的計算模型根據約束變形特點一般可分為：“絕對嵌固模型”，就是嵌固端完全約束（水平位移、豎向位移和轉角位移均為零）。“一般嵌固模型”：就是嵌固端水平位移完全約束（水平位移，豎向位移為零，而轉角位移不為零），帶地下室且在地下室頂面嵌固的模型屬于“一般嵌固模型”。“按地下室剛度計算的嵌固模型”：就是將地下室基礎作為絕對嵌固端，地下室按實際剛度并考慮土體對地下室剛度的影響。

②采用“絕對嵌固模型“時，由于地下室側向剛度假設無限剛，結構吸收地震作用力偏大，結構位移較小，幾乎不變形，此時較容易滿足《高規》第3.5.2-2條中對結構底部嵌固層γ2≥1.5要求，一般僅用于結構的比較計算；按“地下室剛度計算的嵌固模型”能較好地模擬地下室對上部結構樓層側向剛度的影響，但難以準確模擬地下室外填土對地下室側向剛度的影響，計算前提較粗，計算結果準確性較低，可用在地下室側向剛度較小、地下室水平位移較大的情況（如自帶地下室單棟建筑），盡管計算模型從理論上對地下室是較合理的模擬，但由于四周地基計算參數取值復雜，帶有較大的不確定性，因此一般情況下不宜采用，在特定的條件下可作比較計算。按“一般嵌固模型”計算時，能較準確地反映結構在水平力（如風荷載、地震荷載等）作用下上部結構的豎向構件在地下室頂面的轉動實際情況，但此時要求地下室側向剛度較大，需滿足《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》）第6.1.14-2條和《高規》第5.3.7條要求，同時由于對地下室剛度假設偏大，上部結構吸收地震作用力仍偏大，結構位移較小（小到可以忽略不計程度），計算比較表明，對于豎向構件在嵌固端有轉角時，對《高規》第3.5.2-2條中結構底部嵌固層γ2≥1.5一般較難滿足，應通過調整豎向構件剛度來滿足計算要求，一般工程應優先考慮該計算模型，本工程基于上述分析，采用此模型計算。

2.1.3滿足“一般嵌固模型”計算與設計的要求

①地下室四周外墻與填土應緊密接觸，滿足《高規》第12.2.6條要求，作為判定上部結構嵌固部位的重要因素，一般情況下，地下室外側四周較密實回填土對地下室側向剛度的貢獻通常是地下室自身側向剛度的3～5倍。

②為保證地下室頂板的整體剛度，本工程從樓板開洞、混凝土強度、樓板及梁結構布置形式、樓板厚度，樓板配筋等各方面考慮，均滿足《抗規》第6.1.14-1條和《高規》第3.6.3條要求，使地下室頂板有足夠的平面內和平面外剛度，保證有效傳遞地震剪力作用。

③嵌固端上、下層側向剛度比取值。對地下室頂板作為上部結構嵌固部位的條件，《抗規》、《高規》都有明確規定，其中一條是：結構地上一層的側向剛度不宜大于地下一層相關范圍側向剛度的0.5倍，相關范圍一般取主樓及周邊外延不大于3跨或20m。本工程由于各結構單元之間僅設縫分隔，沒有相應的外延范圍，其相關范圍取各自結構單元投影區域，此時地上一層與地下室側向剛度比值可按有效數字控制，即不大于0.54，相當于地下室側向剛度需大于地上結構的1.85倍（可不需要絕對滿足2倍要求），為滿足該比值，通過調整或適度增設地下室豎向構件，同時也盡可能保證建筑對空間的要求。

2.2抗震縫的設置及寬度要求的分析

2.2.1抗震縫設置的原則

《抗規》明確規定：對于體形復雜、平立面不規則的建筑，應根據不規則程度，地基基礎條件和技術經濟因素的比較分析，確定設置抗震縫。本工程基于上述要求，對門診醫技樓、病房樓設置若干抗震縫，將原復雜的建筑平面分割為若干個較規則的結構單元，降低結構抗震設計的難度，有利于減輕房屋的扭轉并能改善結構的抗震性能。

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2.2.2抗震縫寬度設計

①抗震縫寬度是以框架結構為基準的基礎上進行規定的，《抗規》中明確規定：框架結構房屋的抗震縫寬度，當高度不超過15m時，不應小于100mm；高度超過15m時，6度、7度、8度和9度分別每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加寬20mm；但大量震害調查表明，按規范要求確定的抗震縫寬度，僅為最小寬度，在強烈地震下，仍有發生碰撞的可能，同時抗震縫兩側的建筑飾面尤其是瓷磚及其它硬質飾面實際減小了抗震縫的有效寬度，建筑物差異沉降也會造成抗震縫兩側結構彼此“靠攏”，減小抗震縫有效寬度，地震發生時，房屋的自由變形受到限制。

②本工程門診醫技樓各結構單元均為框架結構體系，其自身抗側力剛度較小，同時各層平面樓板開洞較多且較大，又消弱了結構整體剛度，在水平荷載作用下，側向變形大，同時考慮到該建筑結構抗震設防類別需按重點設防類設計等因素，結構設計中，采取適當加大結構剛度，抗震縫寬度取值不僅需滿足規范一般要求，縫寬宜適度增加，按滿足不小于兩側結構單體在中震作用下最大彈塑性位移值的要求設計。

2.3樓梯參與結構整體工作的分析

《抗規》第3.6.6和6.1.15條中明確，結構計算中應考慮樓梯構件的影響，對于框架結構，樓梯間的布置不應導致結構平面特別不規則，樓梯構件與主體結構整澆時，應計入樓梯構件受地震作用及其效應的影響，進行樓梯構件的抗震承載力驗算。樓梯對框架結構整體影響，通過本工程門診醫技樓3區三維計算模型（如圖）及計算結果如下表。

計算結果表明：加樓梯后X、Y向的剛度提高，樓層位移減少，但X、Y向位移角，位移比增大，說明造成樓層結構剛心下移，扭轉變形加大，因此樓梯加入到整體模型分析中可能對結構產生不利影響。本工程框架結構中樓梯設計把握了以下幾點：①結構分析中考慮樓梯中剛度貢獻，僅通過構造措施無法保證主體結構安全，樓梯結構對主體結構抗震能力影響很大；②梯梁布置盡可能不與主體框架柱相連，避免形成短柱甚至超短柱或錯層柱，在結構分析時予以充分重現；③梯板與樓板一樣傳遞水平地震作用（除樓梯支座設滑動支座外），因此對梯板配筋除按靜力荷載計算外，還必需按符合實際地震力作用情況的模型計算，兩者取包絡配筋；④樓梯間角柱、梯梁及梯柱配筋應考慮結構整體計算。

2.4剪力墻設計分析

2.4.1少量剪力墻框架結構

《抗規》第6.1.3條規定，設置少量抗震墻的框架結構，在規定的水平力作用下，底層框架部分所承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%時，其框架的抗震等級按框架結構確定，抗震墻的抗震等級可與其框架的抗震等級相同。本工程門診醫技樓2區基于上述原則，在各層平面中布置了少量剪力墻，目的是：

①在多遇地震作用下，其純框架的彈性層間位移角不能滿足規范不大于1/550的要求時，通過布置少量剪力墻，使結構的彈性層間位移角能滿足規范，此時，設置少量剪力墻的目的在于滿足規范的框架結構的位移限值要求。

②提高框架結構側向剛度，減小結構在多遇地震作用下的變形，設置少量剪力墻能適當改善框架結構的抗震性能。

2.4.1.2少量剪力墻框架計算分析

①首先按框架剪力墻結構體系計算，剪力墻應按計算結果進行配筋并滿足相應抗震等級的抗震構造措施要求，結構的彈性層間位移角限值宜根據框架部分承擔的傾覆力矩Mc與總傾覆力矩Mo的比值確定。本工程門診醫技樓2區為設有少量剪力墻框架結構，其彈性層間位移值限值依據《抗規》第6.1.3條文說明并參考北京市建筑設計研究院編著的《建筑結構專業技術措施》中有關規定，當Mc/Mo≤0.5時，結構的彈性層間位移角限值宜滿足1/800；當Mc/Mo≥0.7時，結構的彈性層間位移角限值應滿足1/550；當0.5＜Mc/Mo＜0.7時，按線性內插取值。

②再按照不計入剪力墻的純框架結構體系計算，框架應按框架剪力墻計算結果與純框架結構的計算結果兩者的較大值進行配筋，并滿足相應抗震等級的抗震構造措施的要求，同時補充純框架結構的大震彈塑性位移驗算，并應滿足規范對框架結構的要求。

2.4.2框架剪力墻中剪力墻布置位置的分析

本工程病房樓5、6、7區屬高層框架剪力墻結構，剪力墻位置設置時，要求避免兩側樓板全部開洞的剪力墻或樓梯間設于樓平面端部時無樓板約束的剪力墻布置。此類情況往往在計算中認為發揮了作用，計算結果指標良好，但實際由于剪力墻兩側全部開洞，無樓板約束，樓板并不能將水平力有效地傳遞至該片剪力墻上，受力完全與建立的計算模型不相符，會造成其它墻肢和框架柱實際受力比計算值大，當兩側樓板全部開洞的剪力墻計算所承受的水平剪力較大時，則與結構實際受力狀態誤差更大，會造成其它抗側力構件的承載力不安全，對框架剪力墻結構更危險，本工程特別予以重現。此時通過與其它專業協商，盡可能將一部分開洞移至別處，或預留板的受力鋼筋要求在安裝好設備管道后，立即封堵洞口，或避免樓面端部樓梯間處設置邊緣橫向剪力墻，減小樓板洞口尺寸，并采用其它有效的構造措施（如設拉梁、拉板等），使結構水平力能可靠的傳遞至該片剪力墻上，與實際計算分析相符，保證結構體系的安全。

2.5薄弱部位、特殊構件計算分析與把握

2.5.1樓板非剛性分析

本工程門診醫技樓1、2、3、4區因建筑功能需要，樓板局部開有大洞或有平面較大的凹凸，部分樓板還出現細窄長連廊相連，形成多處薄弱部位，對于此類樓板形狀較復雜的結構平面，樓板平面內剛度有較大的消弱且不均勻，樓板平面內的變形會使樓層內抗側力剛度較小的構件的位移和內力增大，采用剛性樓板（即平面內無限剛、平面外為零）與實際受力不相符，不能保證這些構件的計算結果的可靠性，在結構分析計算時，為了真實地反映樓板平面內的剛度，同時又不影響梁的配筋，采用了SATWE中“彈性膜”假定計算，即假定樓板在平面內的剛度為真實剛度，而樓板平面外的剛度為零，樓板平面內的剛度采用平面應力膜單元計算。為提高分析效率，本工程彈性板分區域定義在需要的局部區域上，彈性板把整層樓板分隔成幾塊剛性樓板，并采用總剛分析；對于結構位移比、周期比、樓層側向剛度比等還應補充剛性樓板假定計算。

2.5.2特殊構件的補充計算分析

本工程門診醫技樓中，對于出現樓板平面弱連接處，采用PMSAP進行中震作用下樓板彈性應力分析補充計算，查明應力云圖分布狀況，有針對性地采取了加強配筋，加厚樓板及相應的構造措施。

對于樓層間出現穿層柱，補充增加了撓曲桿件產生的二階效應（P-δ效應）計算，按穿層柱同一榀框架短柱端最大地震剪力與穿層柱端地震剪力比對穿層柱端剪力作修正放大計算，同時為增強穿層柱延性，采取增大主筋、箍筋配筋率，全高加密箍筋等構造措施。

3　結論

通過對以上工程設計中關鍵點的分析把握和設計要求，體會到結構設計時不僅是對規范條文和計算數據的滿足，還應該了解規范條文規定的過程和目的，從而能達到對工程結構實際具體問題具體分析，切實做到因工程而異，同一工程各構件抗震性能要求而異，確定設計目標和標準，建筑工程結構設計真正做到滿足抗震設防目標：“小震不壞，中震可修，大震不倒”。

[1]JGJ-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[3]GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[4]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[5]姜學詩.混凝土結構設計問答實錄[M].北京：機械工業出版社，2009.

TU318

A

1007-7359(2016)03-0071-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.024

邵華良（1963-），男，安徽合肥人，高級工程師，國家注冊一級結構工程師，院副總工程師。