朱一強(qiáng) 耿光華

1 工程概況

蘇州市某人民醫(yī)院位于東吳北路(東吳塔北,團(tuán)結(jié)橋南),北面緊鄰蘇州的主干道人民路(見圖1)。主樓包含門急診,病房,醫(yī)技和對外辦公用房等功能。總建筑面積約為7萬m2。

本工程地下2層,地上東面為 24層綜合樓(A樓),檐口高度94.850 m;南面為19層病房樓(B樓),檐口高度75.650 m;西北為5層裙房,裙房屋面高度為22.25 m。主樓標(biāo)準(zhǔn)層高為 3.8 m。裙房部分連成整體,不設(shè)縫,總體布局呈“回”字形;自裙房屋面以上主樓由一條抗震縫分為兩個獨(dú)立的抗震單元,縫寬270 mm。

地下兩層平時為汽車庫和設(shè)備用房,地下室東西向98 m,南北向65.4 m;裙房東西向 78.4 m,南北向 65.4 m;主樓東西向78.4 m,南北向 54.3 m;地下2層部分為人防地下室。

按GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn),本工程為大中城市的三級醫(yī)院(區(qū)級)包括住院部(床位數(shù)為500床)、醫(yī)技樓、門診部,建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。

2 設(shè)計主要性能目標(biāo)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。蘇州地區(qū)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度(第一組),建筑場地劃分為Ⅲ類,場地設(shè)計特征周期 Tg=0.45 s。

工程100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.50 kN/m2,相應(yīng)地面粗糙度取B類,風(fēng)荷載體形系數(shù)取1.4。

2.2 場地土層地震反應(yīng)分析及設(shè)計地震動參數(shù)確定

根據(jù)地勘報告,確定場地地震反應(yīng)分析中所需的土的物理性質(zhì)參數(shù)之后,再利用滿足地震動三要素(峰值加速度、持時及反應(yīng)譜)且具有場址基巖地震動特征的人工地震波,作為輸入界面的地震動輸入波,最后進(jìn)行地震反應(yīng)分析,計算得到3個超越概率的峰值加速度,見表1。

表1 不同概率水準(zhǔn)下三條入射波的計算結(jié)果

計算孔在3個概率水準(zhǔn)下計算得到反應(yīng)譜繪制于圖,按式(1)進(jìn)行標(biāo)定,計算得到的場地相關(guān)絕對反應(yīng)譜曲線和反應(yīng)譜的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2。

地震影響系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式為:

其中,T為結(jié)構(gòu)自振周期,s;αmax為地震影響系數(shù)最大值;Tg為特征周期,s;γ為下降段的下降指數(shù),當(dāng) ζ=0.05時,γ按表取值,當(dāng) ζ≠0.05時,下降指數(shù)為 γ=0.9+(0.05-ζ)/(0.5+5ζ);α(T)為地震影響系數(shù);ζ為阻尼比;η1為直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù),當(dāng) η1＜0 時,取 η1=0,當(dāng) ζ=0.05 時,取 η1=0.02,當(dāng)ζ≠0.05 時,η1=0.02+(0.05-ζ)/8;η2為阻尼調(diào)整系數(shù),η2＜0.55 時,取 η2=0.55,當(dāng) ζ=0.05 時,取 η2=1,ζ≠0.05 時,η2=1+(0.05-ζ)/(0.06+1.7ζ)。

該工程在ζ=0.05時地震影響系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式各參數(shù)見表2,對不同的阻尼比可根據(jù)式(1)進(jìn)行調(diào)整計算。

表2 設(shè)計地震動參數(shù)表

表2中50年超越概率為63%,10%及2%的場地地表處地震動工程參數(shù),分別對應(yīng)抗震設(shè)防的第一、第二及第三水準(zhǔn),即分別對應(yīng)小震(多遇地震)、中震(偶遇地震)和大震(罕遇地震)。50年63%的設(shè)計地震動參數(shù)可用于建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度驗(yàn)算;50年2%的設(shè)計地震動參數(shù)可用于建筑結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算和防倒塌驗(yàn)算。

3 上部結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)體系確定

3.1 規(guī)則性判斷

裙房部分,呈“回”字形,中廳大開洞,但開洞尺寸及面積未達(dá)到樓板局部不連續(xù)指標(biāo),同時,開洞面積也小于該層樓面面積的30%,也均滿足任一方向最小凈寬度大于5 m及每一邊的樓板凈寬度大于2 m的要求;本工程局部位置最大位移與層平均位移的比值大于1.2,平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù),樓層承載力、豎向結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度在裙房頂及上一層變化較大,結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則。

本工程屬A級高度鋼筋混凝土建筑。主樓體型高寬比,長寬比均不超限,平面局部凸出尺寸不超限,平面凹凸規(guī)則,平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,豎向結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不規(guī)則,結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)。本工程不屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu),本工程是大底盤多塔復(fù)雜高層建筑。

3.2 結(jié)構(gòu)體系與布置

本工程采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu),各層樓面和屋面均采用普通現(xiàn)澆梁板體系。在結(jié)構(gòu)底層及裙房頂標(biāo)高處框架抗傾覆力矩所占比例均不大于50%,抗側(cè)力以剪力墻為主。剪力墻布置設(shè)計時按照均勻、對稱、周邊的原則進(jìn)行。裙房部分,由于主樓對于裙房平面是偏置的,為避免抗側(cè)力剛度不均勻易形成較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),產(chǎn)生水平力傳力路徑太長,結(jié)構(gòu)構(gòu)件附加應(yīng)力較大,易形成應(yīng)力集中等抗震不利情況,設(shè)計時結(jié)合建筑布置中的樓、電梯間在裙房多層部分也布置了一定的剪力墻,以調(diào)整裙房的剛心。

對主樓,A樓(24層綜合樓),由于建筑功能需要,樓、電梯間位于建筑兩端,不利于抗震。結(jié)構(gòu)設(shè)計時,利用兩端的樓、電梯間布置剪力墻,但對于山墻處,由于存在樓梯使水平力難以傳遞,計算時不考慮布置剪力墻,仍以框架抗側(cè)。B樓(19層病房樓)核心筒略有偏置,結(jié)構(gòu)布置上通過周邊剪力墻的布置,有效控制了結(jié)構(gòu)平面偏心率。

4 大底盤多塔復(fù)雜高層建筑相應(yīng)措施

塔樓結(jié)構(gòu)的綜合質(zhì)心與底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心的距離為底盤相應(yīng)邊長的14%,不大于20%;雙塔間留較大的抗震縫,滿足規(guī)范要求的同時,適當(dāng)放大縫寬;裙房屋面樓板厚度取150 mm,配筋率不小于0.25%,其上下層結(jié)構(gòu)樓板厚度取120 mm,均雙層雙向配筋;對塔樓與裙房相連的外圍柱、剪力墻構(gòu)造加強(qiáng)。柱縱向受拉鋼筋最小配筋率不小于1.2%,箍筋在裙房屋面上下層的范圍內(nèi)全高加密,并在柱截面中部設(shè)置由附加縱向鋼筋形成的芯柱,附加縱向鋼筋的截面面積按柱截面面積的0.4%設(shè)計(設(shè)計時不考慮設(shè)置芯柱對框架柱軸壓比限值的提高)。剪力墻按設(shè)置約束邊緣構(gòu)件要求。

5 短柱延性措施

本工程中由于各種原因,部分位置框架柱出現(xiàn)剪跨比小于2的短柱。針對不同情況,我們分別采取以下措施避免或減小短柱影響:1)杜絕剪跨比小于1.5的極短柱。2)綜合樓(A樓)范圍在裙房 2,3層(層高4.2 m,框架梁高0.7 m),由于柱軸力較大,柱截面也較大,達(dá)1.1 m,形成形態(tài)短柱。這些短柱主要是要解決承載能力的問題。3)在病房樓6層為設(shè)備層,層高3 m,形成了形態(tài)短柱。這些短柱主要是要解決構(gòu)件的延性問題。對此,我們采取箍筋全高加密,并在柱截面中部設(shè)置由附加縱向鋼筋形成的芯柱的手段來增強(qiáng)構(gòu)件延性。4)在塔樓分縫處,裙房不分縫,為控制塔樓間相對位移,設(shè)計時對地下室及裙房分縫兩側(cè)柱整澆在一起,形成短柱。我們采用分體柱措施,即雖然柱整澆,但箍筋分別設(shè)置,兩柱間用隔板將柱分為兩個單元柱。截面的內(nèi)力設(shè)計值由各單元柱均擔(dān),按現(xiàn)行規(guī)范對單元柱承載力驗(yàn)算,在柱的上下端,留有整截面過渡區(qū),過渡區(qū)內(nèi)配置復(fù)合箍。分體柱各單元的剪跨比是整體柱的2倍,可以避免短柱。

6 大開洞結(jié)構(gòu)措施

本工程裙房內(nèi)由于建筑布置有共享空間,樓板有較大開洞,但未超出樓板局部不連續(xù)指標(biāo),構(gòu)造上仍需加強(qiáng)。主要采取以下措施:1)模型計算時裙房樓面定義為彈性模,真實(shí)反映構(gòu)件實(shí)際受力情況,按計算值進(jìn)行配筋;2)在大洞口四周設(shè)置邊梁;3)對洞口角部易應(yīng)力集中處樓板內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)鋼筋,控制裂縫開展。

7 頂層大空間加強(qiáng)措施

高層24層,大空間會議室,頂層抽柱形成空庫。計算時定義地震力放大1.15倍,提高該層柱混凝土強(qiáng)度到C35,同時加強(qiáng)板厚及配筋,并按規(guī)范要求柱全長箍筋加密。計算時,保證在豎向荷載作用下梁的撓度和裂縫寬度滿足規(guī)范限制情況下,適當(dāng)提高梁端彎矩調(diào)幅系數(shù),減小邊柱上端大偏心受壓影響。

8 結(jié)語

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要進(jìn)行概念設(shè)計,每一棟建筑都有它自身的特點(diǎn),針對不同的特點(diǎn),首先要確定設(shè)計目標(biāo),以及相應(yīng)的設(shè)計方法,技術(shù)措施。這些方法與原則是基礎(chǔ)性、整體性、全局性和關(guān)鍵性的,是安全可靠的優(yōu)秀設(shè)計的基本保證。2)對于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計,要明確其性能設(shè)計目標(biāo),并按規(guī)范要求確定不同性能目標(biāo)下的設(shè)計地震動參數(shù),作為計算的基礎(chǔ)。3)從某種意義上說,結(jié)構(gòu)抗震措施是比結(jié)構(gòu)整體計算及構(gòu)件設(shè)計更重要的方面,它是概念設(shè)計的深化,也是對計算過程中許多假定、方法的修正,它是技術(shù)研究與長期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后形成的有效的技術(shù)方法。

[1] 江蘇省地震工程研究院.蘇州市某人民醫(yī)院場地地震安全性評價報告[R].2005.

[2] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB 50011-2008,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[4] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[6] 徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.