太原市某醫院結構設計

孔 鵬

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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太原市某醫院結構設計

孔 鵬

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

結合太原市某醫院建筑的整體結構設計方案，對該工程地基處理效果做了驗證，并分析了超長結構的溫度應力，最后通過彈塑性時程分析，驗算了結構的抗震性能，保證了該醫院的結構安全性。

醫院，結構方案，溫度應力，彈塑性時程分析

0 引言

太原市某醫院屬于三級甲等醫院，總建筑面積約為18.8萬m2。本項目各單體建筑地下連通，平面示意圖如圖1，圖2所示。

1 結構方案

工程抗震設防烈度為8度(0.20g)，抗震設防分類為乙類，Ⅲ類場地。三幢主樓為框剪結構，其余低層為框架結構。

該工程建筑體量較大，根據各部分建筑的高度、平面布置、結構類型共設置10個防震縫。科研體檢中心和門診醫技部之間的連廊按結構弱連接處理后，各結構單元基本上均為平面規則結構。因建筑使用功能的要求，結構超長，需采用抗溫差措施。根據《山西省住房和城鄉建設廳關于積極推進建筑工程減隔震技術應用的通知》中的相關規定，經分析比較后，本工程采用防屈曲約束支撐對結構進行減震處理。

本工程是僅地下室連為整體的多塔結構，并不屬于《高規》規定的復雜結構中的多塔結構[1]。第一階段抗震設計時為考慮鄰近塔樓在地震過程中的相互影響，本工程采用了多塔計算，并參考《高規》要求取整體模型和單塔模型的包絡結果進行配筋設計。鑒于本工程門診醫技樓樓面開大洞，樓板剛度有削弱，該問題的處理辦法是結合溫度作用一起計算。結構分析時采用有真實面內外剛度的彈性樓板進行計算，并對洞口周邊的梁、板截面加大加厚處理，配筋亦相應加大。設計中按規范要求對減震建筑進行了大震彈塑性變形驗算來實現第二階段的抗震設計要求。科研體檢中心和門診醫技部間的連廊采用萬向支座，為減輕結構自重采用鋼梁混凝土樓板組合結構。對兩側結構進行大震彈塑性時程分析驗算后連接部位最大位移為40.54 mm，支座在兩個方向的設計允許位移(考慮富余)按1.5×40.54=60.8 mm。經計算主鋼梁兩端最大轉角為0.004 rad～0.005 2 rad遠小于支座的允許轉角0.02 rad。鋼連廊兩側結構設計時，將連廊荷載以豎向集中恒、活荷載的形式加載至相關框架柱上，并考慮荷載偏心。

2 地基及基礎

工程地勘報告提供八個土層自上而下分別是：雜填土、粉質粘土、細中砂、粉質粘土、粉質粘土、粉質粘土、粉質粘土、粉質粘土。擬建場地均勻，基底下土層連續。低層結構基礎持力層位于第③層土，地基承載力大，故低層部分采用天然地基方案可行。以地勘報告提供的地基液化計算成果表分析，大部分探點的液化指數在0.04以下，液化等級雖屬輕微，但液化指數非常接近下限值。基于對液化和沉降要求的綜合考慮，基礎采用整體性較好的平板式筏基作為應對措施。設計中對基礎進行了有限單元彈性地基板法計算。本工程住院樓結構荷載大，住院樓下地基采用CFG樁處理以提高地基承載力。因框剪結構樓電梯間混凝土墻多、厚度大且布置相對集中導致該部分結構基底壓力達到460 kPa，遠大于框架部分的平均基地壓力290 kPa。該部分地基處理采用變剛度調平方案，對井筒下基礎加厚以增加基礎剛度并對該位置CFG樁局部加密布置以加大地基剛度，地基處理后再配合沉降后澆帶的合理布置使得基礎沉降趨于均勻。從配筋結果看，相關部位配筋無大的突變。可見，經地基調平處理后，結構整體沉降相對均勻，結構受力更為合理。

3 溫度計算及措施

結構超長產生的混凝土收縮和溫度應力問題是應該重視的，為減小混凝土收縮和溫度應力等對結構的不利影響，采取以下措施：建筑方案要加強建筑外保溫，特別是地下室頂板外露部分及屋頂部分的保溫隔熱措施。本工程地下室頂板下采用80厚超細無機噴涂保溫材料，整個屋面做法最薄處160厚內含70厚擠塑聚苯板保溫層。樓板設計時在未配筋表面加溫度抗裂筋。進行溫度應力分析后，在樓板長度方向加設抗溫度鋼筋，梁配筋同時考慮溫度作用，且增加拉通鋼筋數量，以抵抗溫度應力的不利影響。

本文著重對地上結構進行溫度應力分析，溫度分析按照均勻溫差計算。根據文獻[3]中表16.2-3，可以偏保守的假設后澆帶封閉前樓板干縮量為50%，這50%收縮量亦偏保守地取為10%的最終收縮量，這樣結構收縮Y=(0.1+0.5)×εy1=0.6εy1；而根據文獻[3]表16.2-4及文獻[4]可知對于本工程εy1=A×εy0=(0.92×1.07×1.0×1.04×1.28×1.0×0.88×0.921×1.0×0.961)×3.24×10-4=1.02×3.24×10-4=3.31×10-4，其中以上混凝土收縮調整系數A的計算條件為：水泥品種為普通硅酸鹽水泥(加粉煤灰);水泥細度取3 500 cm2/g;骨料為礫砂;水灰比0.42;水泥漿量取27%;初期養護時間為7 d;環境濕度取太原市月平均相對濕度61.5%;水利半徑倒數計算時取板厚12 cm,板寬5 000 cm;機械振搗；配筋取雙層雙向Ф8@200(HRB400);C30混凝土。該結構的混凝土有效收縮Y=0.6×3.31×10-4=1.986×10-4，換算的當量溫差ΔT=1.986×10-4/(1.0×10-5)=19.86 ℃。考慮徐變收縮應力松弛系數0.3情況下，混凝土收縮的有效當量溫差為-5.96 ℃。

混凝土結構屬于熱傳導效率較慢的結構，結構初始溫度取混凝土后澆帶封閉后24 h的日平均氣溫(10±5)℃。上部結構溫度荷載取法如下：屋面板取上下表面溫度的平均值和初始溫度的差；樓層板取室內空氣溫度與初始溫度的差。室內空氣溫度取空調設計溫度：夏季為(26±2)℃，冬季為(20±2)℃。夏季樓層最大結構升溫差為13 ℃，屋面最大升溫差為26 ℃，因室內常溫基本不小于結構初始溫度故夏季溫差中無降溫工況；冬季屋面最大降溫差為-14 ℃，因室內常溫基本不小于合龍溫度故樓層冬季溫差中無降溫工況。

溫度應力松弛系數折中取值為0.35，這時結構彈性計算的有效溫差為：樓層板：升溫-1.41 ℃<0 ℃；降溫-4.91 ℃；屋面板：升溫 3.14 ℃；降溫：-10.86 ℃，由以上分析可知混凝土后期收縮應力與部分結構升溫應力相抵消，主要溫度作用還是降溫收縮所引起的。考慮熱傳導效率滯后，結構初始溫度和后期收縮具體數值均不能精確可控，就出現了降溫工況為兩次疊加設計相對偏于安全，而升溫工況為前后相互抵消有可能出現因考慮不準確所帶來的不安全情況。為此，彈性計算時升溫工況予以提高1.75 ℃(即結構實際溫差提高1.75/0.35=5 ℃)，以確保結構升溫安全。最終結構彈性計算的溫差取值為：樓層：升溫0.34 ℃；降溫-4.91 ℃；屋面：升溫4.89 ℃，降溫-10.86 ℃。

從計算結果看，樓層溫度工況下，混凝土拉應力均較小，拐角部位出現拉應力集中現象。以降溫工況為例，各個板塊受力最大部位均出現在柱附近，遠離柱子的板內軸向力逐漸減小。經過對同一樓層結構的整體模型及單層柱底嵌固模型進行對比分析，同一溫度工況下樓板內力趨勢一致，不同點是在結構周邊樓板軸向應力分布有所不同。其原因是結構進行整體溫度計算時上下部豎向構件之間連續變形導致的。另外，本工程有大面積的樓層洞口，板不連續，這從一定程度減少了溫度應力的作用范圍，避免了長距離上溫度應力的累積。因本工程在溫度作用下的拉應力大部分未超出混凝土抗拉強度ftk,設計時重點部位核對配筋，并對樓板配筋適度加強。

在施工階段，材料應采用低水化熱的水泥配置混凝土，并適量加入粉煤灰采用碎石骨料配置混凝土。后澆帶間距不超40 m，后澆帶混凝土采用高一強度等級的微膨脹混凝土進行補澆，并應滿足澆筑時的環境平均溫度在(10±5)℃。在混凝土初凝前采用二次振搗，采用保水養護，避免混凝土表面失水過快；基礎和地下室外墻后澆帶封閉后應及時回填，避免長期暴露。滿足施工條件下，宜盡量減小坍落度。避免在大風降溫天氣時澆筑混凝土，并適當延長拆模時間。

4 減震設計

工程設計時在結構未布置支撐條件下進行小震彈性計算后，在結構相對位移較大部位及剛度較弱樓層布置屈曲約束支撐并盡量保障結構剛度比不發生過大變化。經過多種帶支撐結構的小震彈性計算比選，確定最終結構布置方案。這樣確保結構在小震下保持彈性，中震階段開始屈服耗能。

以醫技樓為例，進行了3條地震波下的彈塑性時程分析，著重分析了罕遇地震作用下結構的反應并統計了結構在罕遇地震下的彈塑性層間位移角(見表1)。

表1 罕遇地震結構層間位移角

從表1可以看出，結構在罕遇地震下彈塑性層間位移角最大為1/160，僅為限值的1/3。通過觀察結構的屈服機制，表明結構采用BRB消能減震設計方案具有良好的效果，主要體現在以下幾個方面：

1)結構實現了預期的“大震不倒”的設計目標，實現了既定的兩階段抗震設計要求。

2)結構在大震作用下BRB均進入塑性屈服階段，且BRB優先于梁進入屈服階段，有效耗散地震輸入主體結構中的能量，屈曲約束支撐良好地充當第一道防線的作用，保護主體結構的安全。設置屈曲約束支撐的消能減震結構在罕遇地震作用下框架柱大部分未進入屈服，針對Y向而言，主體結構在罕遇地震作用下梁的損傷狀況比較嚴重，符合強柱弱梁的屈服機制。由于大震下框架柱基本保持彈性，在梁配筋設計時對屈服部位的梁配筋稍作加強，避免震后大修，以盡可能維持震后生命線工程的盡早運行。

5 結語

通過對該工程結構設計重點內容的分析，得出以下結論：

1)框剪結構設計時應根據剪力墻布置的多少與集中程度視具體情況選擇地基處理方式，尤其要注意變剛度調平法在地基處理中的合理應用。

2)本工程地上結構樓板溫度應力不是主要問題，要注意對溫度工況下豎向抗側力構件配筋的校核，鑒于環境情況多變性及分析方法的局限性，設計時要做適度加強。

3)經合理布置后，屈曲約束支撐對結構減震效果比較明顯，在高烈度地區應用有其優越性。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析[S].

[2] 朱丙寅，婁 宇，楊 琦.建筑地基基礎設計方法及實例分析[M].第2版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3] 范 重.國家體育場鳥巢結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[4] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

The structure design of a hospital in Taiyuan

Kong Peng

(ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

Combining with the design scheme for the integral structure of some hospital in Taiyuan, the paper proves the foundation treatment effect of the project, analyzes the temperature stress, and calculates the seismic performance of the structure according to the elastic plastic time history, so as to ensure the structural safety of the hospital.

hospital, structural scheme, temperature stress, elastic-plastic time history analysis

2016-11-28

孔 鵬(1983- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0065-03

TU318

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