資陽市人民醫(yī)院急診急救能力建設項目結構設計與分析

摘要：某項目位于四川省資陽市，采用框架結構體系，建筑總高度47.5 m。結構存在局部樓層大開洞、16.2 m高躍層柱、32 m大跨度上人屋面、局部樓層豎向收進等薄弱環(huán)節(jié)。進行了中震下樓板應力分析、躍層柱線性屈曲分析、性能化設計、大跨度屋面樓板舒適度分析，并結合計算分析結果，針對性提出結構加強措施，確保結構抗震安全性。

關鍵詞：高層建筑； 框架結構； 樓板應力分析； 屈曲分析； 性能化設計； 樓板舒適度分析; 大跨度上人屋面

中圖分類號：TU318.2文獻標志碼：A

1項目概況

本項目位于四川省資陽市雁江區(qū)車城大道三段576號（獅子山街道辦，花果山社區(qū)），總建筑面積46 154.16 m2，其中地上建筑面積34 600.05 m2，地下建筑面積11 554.11 m2；地下1層（局部地下2層），地上8層，建筑總高度47.5 m，其中地下2層4.2 m，地下1層5.7 m，1層6 m，2～7層5.1 m，8層6.6 m。

地下2層平時為設備用房、汽車庫，戰(zhàn)時為醫(yī)療救護站；地下1層平時為設備用房、汽車庫、局部戰(zhàn)時為物質儲備庫；1層為急癥診室、門診大廳、放射科、發(fā)熱門診、腹瀉門診；2～5層為門診、醫(yī)技；6層技能培訓中心；7層為臨床研究室；8層為醫(yī)療培訓中心；屋面為電梯機房。

本項目效果圖見圖1。

2結構設計參數及主要構件尺寸

本項目結構類型為鋼筋混凝土框架結構，結構設計基準期和設計使用年限均為50年，安全等級為一級，抗震設防類別為重點設防類（乙類）。抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為005 g，設計分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為035 s，抗震等級為二級。基本風壓為03 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。采用YJK40進行結構計算。本項目主要構件截面尺寸及材料強度等級見表1。

3結構設計特點及難點

本項目建筑最大邊長118 m遠超GB 50010-2010（2015年版）《混凝土結構設計規(guī)范》［1］第8.1.1條框架結構55 m的限值要求且存在樓層局部收進，故結構從樓層收進處分縫，從地下室頂板～大屋面將結構分為高塔與低塔2個獨立的結構單元，分別進行結構設計。本項目設計難點主要有幾點：

（1）低塔門診大廳上空2、3層大開洞，削弱了樓層樓板平面內剛度，樓板能否有效傳遞水平荷載需經過計算分析，2、3層結構平面布置見圖2、圖3。

（2）由于邊跨樓板開洞，個別邊柱形成16.2 m高躍層柱，對躍層柱的穩(wěn)定性需經計算確定，2、3層結構平面布置見圖2、圖3。

（3）屋面板下1層（8層）建筑空間作為醫(yī)療培訓中心，房間內不允許出現(xiàn)柱子，由此形成32 m大跨度上人屋面，需計算大跨度梁在各種荷載工況組合下（包含豎向地震）的應力、穩(wěn)定性、撓度滿足規(guī)范限制要求并確保連接節(jié)點的可靠性，樓板舒適性尚應進行分析滿足正常使用的要求，8層建筑平面見圖4。

（4）本項目為重點設防類建筑（乙類）且建筑高度47.5 m接近DB51T 5058-2020《四川省抗震設防超限高層民用建筑工程界定標準》［2］第3.0.1條規(guī)定的框架結構50 m高度限值。由于建筑布局的限制無法增設上下貫通的剪力墻作為抗震設防二道防線，故需提出合理的性能化目標以提高結構的抗震性能。

4結構主要整體指標及結構超限情況分析

本項目結構主要整體指標見表2、表3，由表2、表3可知，結構各個主要參數均滿足規(guī)范要求。結構超限情況分析見表4，高塔為規(guī)則結構，低塔有2項不規(guī)則，剛度突變及局部穿層柱，均是由于建筑布局原因造成，無法避免。

5針對薄弱部位的計算分析與加強措施

（1）對于低塔樓2、3層樓板大開洞采用樓板應力分析，確保中震作用下樓板拉應力小于混凝土抗拉強度標準值。經計算，當大開洞周圍一跨范圍樓板厚度由120 mm加厚到150 mm時，能滿足設計要求，分析結果見圖5、圖6。從圖5、圖6中可以看出中震下2、3層樓板最大拉應力為1.4 MPa＜2.01 MPa（C30混凝土抗拉強度標準值），故可認為，在中震作用下，樓板不會開裂，能將梁柱拉結為一個整體并可靠傳遞水平作用。

（2）對于躍層柱，由于構件自由長度過長（16.2 m），若按規(guī)范公式進行計算，沒有考慮結構的側移失穩(wěn)或者不從構件整體來考察構件的計算長度，有時會不安全，因此有必要對躍層柱做專門的計算長度分析，確定好躍層柱的計算長度是保證躍層柱得到可靠分析的前提。采用YJK有限元分析軟件對低塔樓的躍層柱進行屈曲分析，模態(tài)見圖7～圖10。前3個模態(tài)躍層柱均為整體屈曲模態(tài)，第四模態(tài)開始發(fā)生某一方向的局部失穩(wěn)，故選取第四模態(tài)為不利模態(tài)，對應的屈曲臨界荷載系數為38.062，從而可以得到躍層柱的屈曲臨界荷載。根據歐拉承載力公式Pcr=π2EI/（μl）2，反算得到柱的計算長度系數公式：μ=π/lEI/Pcr ，計算表格見表5。計算結果表明，躍層柱在38.062倍標準組合的軸力作用下才可能發(fā)生模態(tài)四的變形，且其計算長度系數μ=0.427＜1.25（模型計算取值），表明計算偏于安全，躍層柱不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

（3）為最大限度降低大跨度梁所承擔的荷載，大屋面采用單向密布鋼與混凝土組合梁。為增加大跨度鋼梁與周邊梁柱連接的可靠性，凡是與大跨鋼梁相連的梁或柱中均增設型鋼，即局部做成SRC柱與SRC梁，為保證荷載傳遞的可靠性，SRC柱型鋼一直貫通到基礎。大跨度鋼梁與SRC柱子采用剛性連接，與兩側SRC梁采用鉸接。大跨度鋼梁面外每隔2.7 m設置小鋼梁確保大跨鋼梁平面外穩(wěn)定性；面內考慮包含豎向地震作用的各種不利工況組合使計算出的鋼構件應力比留有富余（最大值控制在0.7左右）。控制組合梁撓度不超GB 50017-2017《鋼結構設計標準》［3］附錄B.1.1從嚴控制l0/400的要求，結構布置見圖11。根據JGJT441-2019 《建筑樓蓋振動舒適度技術標準》［4］第4.1.1條、4.2.1條要求進行屋面板豎向振動頻率第一振型計算，結果見圖12，f=3.76643 Hz＞3 Hz，滿足規(guī)范要求。在變形較大區(qū)域布置行走激勵對屋面樓板進行時程分析，分析結果表明豎向振動峰值加速度為0.096 m/s2＜0.150 m/s2，故舒適度驗算滿足規(guī)范要求。

（4）為提高本建筑的抗震性能，高塔考慮性能化設計，保證中震作用下全樓層柱子滿足抗彎抗剪不屈服，大震作用下3層板面以下柱子受剪截面滿足規(guī)范要求，且與小震作用下的配筋結果進行包絡設計。

（5）低塔4～5層水平向局部收進為側向剛度不規(guī)則，將4層樓板對應的上下各1層，梁柱抗震構造措施的抗震等級由二級提高為一級，4層樓板整體加厚至150 mm，且雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。5結束語

本文主要介紹了資陽市人民醫(yī)院急診急救能力建設項目的項目概況、結構的特點難點，對大開洞樓層進行了中震下樓板應力分析、躍層柱屈曲分析、大跨度屋面舒適度分析并根據分析結果對結構薄弱部位采取了有效的加強措施；提出了大跨度屋面的結構布置方案及設計注意事項（節(jié)點可靠性、面外穩(wěn)定性、面內應力比推薦限值及撓度控制要求）；最后還提出了性能化設計目標、樓層局部收進處構造加強處理措施，為類似工程的設計提供了一定的參考。

參考文獻

［1］混凝土結構設計規(guī)范： GB 50010-2010［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2015.

［2］四川省抗震設防超限高層民用建筑工程界定標準： DB51T 5058-2020 ［S］.成都：西南交通大學出版社， 2020.

［3］鋼結構設計標準： GB 50017-2017［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

［4］建筑樓蓋振動舒適度技術標準： JGJT441-2019［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2019.

［作者簡介］趙純陽（1992—），男，本科，國家一級注冊結構工程師，從事結構設計工作。