广州某医院门诊楼结构设计

刘少武，肖绍添

（广州市城市规划勘测设计研究院 广州510060）

1 工程概况

广州某医院项目总建筑面积224 486 m2（其中地上131 338.00 m2，地下93 148.00 m2）。本项目由3 栋建筑（门诊医技行政楼、住院楼、科研楼）组成，地上为7～9 层，地下3 层。建筑通过设置防震缝分成多个结构单体。其中门诊楼通过设缝分成3个结构单体，M-2为其中一个结构单体，地面7层，主要屋面高度32.10 m。结构单体示意图如图1 所示，医院建筑整体效果如图2所示。

图1 结构单体示意图Fig.1 Schematic Diagram of Single Structure

图2 建筑整体效果Fig.2 Overall Rendering of Building

本项目抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10 g，设计地震分组为第一组。建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期Tg=0.35 s。基本风压值为0.50 kN/m2。地面粗糙度类别为B 类。结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。上部结构嵌固端为地下室1层楼面。

2 结构体系

2.1 结构布置

门诊楼M-2栋采用框架-剪力墙结构。地下室1层设通高门厅，结构高度19.650 m。门厅外围设置向外倾斜的穿层柱，设计采用钢管混凝土柱，型钢材质Q355B，截面φ 1 000×30，如图3 所示。北侧5～7 层建筑设计为连层内庭，形成穿层柱。主体结构YJK 三维模型如图4所示。

图3 首层结构布置Fig.3 First Floor Structural Layout

图4 主体结构YJK三维模型Fig.4 YJK 3D Model of Main Structure

2.2 大跨度屋盖

门诊楼M-2栋北侧入口处屋面，建筑设计为扇形状屋面，内柱跨度8.6 m，外悬挑13～16 m 悬挑，扇形最大弧长约50 m。屋盖拟采用钢桁架结构体系，结构布置如图5 所示。桁架结构既能满足建筑外观要求，又具有合理的受力性能，符合结构安全的需要。

2.3 结构超限情况

根据《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［1］、《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［2］及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点：（建质［2015］67 号》的有关条文，本结构共存在4 项不规则项，属于超限高层建筑工程，需进行抗震设防专项设计。超限具体情况为存在以下几项结构不规则项。

图5 屋面结构布置Fig.5 Roof Structure Layout

⑴扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比为1.4，大于1.2；

⑵楼板不连续：5层有效宽度60.20%>50%；

⑶尺寸突变：竖向构件收进位置高于结构高度20%，且收进37.5%>25%、屋面外挑15.950 m>4 m；

⑷局部不规则：首层～4 层有局部穿层柱、斜柱，5～7层局部有穿层柱。

针对以上4项不规则项，采取如下5项加强措施：

⑴对于楼板不连续，整体楼板采用弹性板模拟实际刚度，并按照中震不屈服复核楼板应力，楼板开洞口周边采用双层双向配筋，适当提高配筋率；

⑵4 层竖向构件收进部位，塔楼上下2 层的竖向构件抗震等级提高一级；

⑶穿层柱、斜柱抗震等级提高一级，并按中震弹性进行设计计算；

⑷屋面悬挑桁架按中震弹性进行设计计算，并考虑竖向地震作用。中震下桁架构件最大应力比控制在0.8以内。

⑸对主体结构进行动力弹塑性分析，评价主要抗侧力构件的塑性损伤分布，判断主要抗侧力构件在罕遇地震作用过程中实现预定的性能目标水准。

本项目结构的特点和超限内容，按《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准BDJ 15—92—2013》［3］第3.11 节相关要求，M-2 栋抗震性能目标均为C 级。结构各部位抗震性能水准如表1所示。

3 结构分析

3.1 反应谱分析

主体结构采用YJK-A 进行反应谱分析，采用MI⁃DAS GEN 进行对比验算。2 个软件对主体结构的主要计算结果如表2～表4所示。

表1 各性能水准结构预期的震后性能状况Tab.1 Expected Post Earthquake Performance of Structures of Each Performance Level

表2 结构周期计算结果Tab.2 Calculation Results of Structural Period

表3 地震作用下结构位移计算结果Tab.3 Calculation Results of Structural Displacement under Earthquake Action

表4 地震作用下结构底部剪力及倾覆力矩计算结果Tab.4 Calculation Results of Bottom Shear Force and Overturning Moment of Structure under Earthquake Action

表2 的周期计算结果显示，2 种软件计算的周期接近，绝大部分水平振动周期相差不超过2.5%。

根据文献［2］3.7.3 条规定，高度不大于150 m 的框架-剪力墙结构楼层层间最大位移与层高之比不宜大于1/800。由表3 可知，本工程最大层间位移角为1/1 662，满足要求。

根据文献［1］第5.2.5 条规定：7 度（0.10 g）区基本周期小于3.5 s 的结构楼层最小地震剪力系数为0.016。由表4 可见，本项目2种软件计算的各楼层最小剪重比皆大于0.016，剪重比均满足文献［1］要求。

3.2 动力弹塑性时程分析

本项目采用YJK-EP进行动力弹塑性时程分析［4-6］。选择3 组地震波，分别按X 向、Y向为主方向（主、次方向及竖向地震波峰值比例为1∶0.85∶0.65）进行弹塑性时程分析。地震加速度最大值按规范取220 cm/s2。地震波的“有效持续时间”不宜小于周期的5 倍，并且应大于15 s。多组地震时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。

3.2.1 基底剪力计算结果对比

各组波的弹性时程剪力与弹性振型分解反应谱的剪力对比如表5所示。各条波在基底剪力与小震弹性CQC的剪力比值均与经验值比较符合。

3.2.2 楼层最大响应

楼层最大响应显示的是各个楼层在地震波作用下响应的最大值。文献［2］明确规定弹塑性位移角不能超过位移角限值，否则判定结构不能达到大震不倒的设防水准。以X 向为例，各条波最大的楼层位移、层剪力曲线如图6所示，由图6中可以看出：

⑴大震下X 为主方向时，弹塑性位移普遍大于弹性位移，说明结构都可能已进入了不同程度的非线性，最大位移均位于顶层。

⑵大震弹塑性基底剪力明显小于大震弹性基底剪力，与经验值相符合。

图6 X方向最大楼层位移及剪力曲线Fig.6 Maximum Floor Displacement and Shear Curve in X Direction

表5 各组波的弹性时程剪力与弹性振型分解反应谱的剪力对比Tab.5 Comparison of Elastic Time History Shear Force and Elastic Mode Decomposition Response Spectrum of Each Wave

⑶大震下弹塑性位移角普遍大于弹性位移角，说明都已进入了非线性，但程度有些不同。大震下6组波的X 方向平均位移角最大值位于7 层，位移角最大值为1/310，Y 方向平均位移角最大值位于12 层，位移角最大值为1/337。

3.2.3 构件损伤

地震作用下结构的损伤是一个逐渐发展的过程，首先出现损伤的构件将起到消耗地震能量的作用。损伤顺序是否合理是结构方案设计是否合理的一个重要评断依据。

各条波下结构损伤顺序有些差别，但总体上规律基本一致。依据《建筑结构抗倒塌设计规范：CECS 392—2014》中建议的判定原则，给出了结构构件按应变评估的损伤等级判定结果，如图7所示。图7显示，结构梁损伤比柱更明显，梁出现了中度以上的损坏、少数严重损坏。墙柱只有4.00%的构件进入了轻微损坏，0.23%的构件进入了轻度损坏，没有中度及严重损坏。上述结果满足大震性能目标的要求。

图7 损伤等级显示Fig.7 Display of Damage Level

3.2.4 小结

⑴各层弹塑性位移角最大值均在1/187 以内，满足规范对框剪结构C 级性能目标弹塑性位移角限值1/125，说明结构在罕遇地震作用下，能保持主体结构稳定，不至于倒塌。

⑵连梁从上至下破坏比较严重，且多道连梁均损坏比较严重，而剪力墙在底部加强区破坏相对明显；框架梁、柱破坏程度不大，且梁损伤大于柱损伤，满足二道防线的抗震设防思想。

⑶分析结果显示，本项目在首层局部剪力墙及柱出现钢筋抗拉应变达到轻度损坏的损伤等级，对此位置采取加强处理措施，如适当增加配筋等。

3.3 楼板应力分析

首层～3 层、5 层开洞面积大于30%，属于楼板局部不连续，同时首层～3层斜柱的设置对斜柱顶部的楼板产生拉力。本项目计算选择裙楼大开洞楼层、斜柱顶部楼层和塔楼标准层进行中震下的楼板应力分析。典型楼层中震下楼板的主拉应力如图8所示。

图8 5层楼板X方向楼板主拉应力Fig.8 Main Tensile Stress of the Fifth Floor in X Direction（MPa）

在中震作用下，楼板的拉应力一般部位不超过3.1 MPa。板筋采用HRB400，配置双层双向φ 10@150，可满足中震弹性的要求。局部存在应力集中，部分应力值为7～11 MPa。采用角部加强筋进行加强。

3.4 穿层柱计算分析

门诊楼M-2 在首层～3 层、4～7 层因建筑要求，存在穿层柱，位置如图9所示。

图9 穿层柱屈曲模态示意图Fig.9 Buckling Mode Diagram of through Story Column

通过YJK 整体模型进行屈曲模态分析，考虑了楼面梁对穿层柱抗侧贡献，从而得到屈曲系数和欧拉临界力Pcr，确定穿层柱计算长度系数［7-8］。

1～4 层穿层柱KZ1 截面φ 1 000（t=30），高度为19.80 m，混凝土C50，柱顶荷载为3 283 kN。整体模型计算结果，屈曲第一模态系数为72.94。

5～7 层穿层柱KZ2 截面φ 800，高度为16.50 m，混凝土C40，柱顶荷载为871 kN。整体模型计算结果，屈曲第一模态系数为59.38。

据式⑴，穿层柱计算长度系数为：从上述分析得出的计算长度系数如表6所示，结果小于文献［1］的计算长度1.25，因此本项目穿层柱按文献［1］规定的计算长度安全可靠。

表6 穿层柱计算长度系数Tab.6 Effective Length Coefficient of through Story Column

3.5 大跨度屋盖分析

大跨度屋面钢桁架结构，采用YJK 软件与主体混凝土结构一起建模进行整体分析，并考虑局部大跨度构件的竖向地震作用［9-10］。典型桁架布置如图10所示。

图10 典型桁架立面Fig.10 Typical Truss Elevation （mm）

对钢桁架结构进行中震验算，典型桁架中震下应力比如图11 所示。可见最大应力比在中间支座斜腹杆，为0.71，满足中震弹性的要求。

图11 典型桁架中震应力比Fig.11 Seismic Stress Ratio of Typical Truss

4 结语

本项目属于超限高层，结构存在楼板不连续、立面收进、穿层柱、大悬挑等复杂情况。结构设计中除进行常规的反应谱分析外，还对结构进行动力弹塑性时程分析，对大震下的结构整体稳定及构件性能进行评价。同时有针对性地进行中震下楼板应力分析、穿层柱长度系数分析、大悬挑钢结构桁架应力分析，确保了结构的安全。