医技楼大厅段上下结构协同作用分析

杨 旭 李 阳

（1.容海川城乡规划设计有限公司宁夏分公司，宁夏 银川 750002；2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏 银川 750411）

0 引言

随着新材料、新技术、新工艺的应用，许多结构工程正向着多样化、复杂化、大型化方面发展，如大型商住综合体、大跨度屋面场馆、钢混组合超高层等[1，2]。当前，采用大跨度钢结构屋面形式，下部采用钢筋混凝土为主体的结构工程已广泛应用[3]，为确保整体结构的安全，在结构设计阶段，针对实际工程项目的钢结构和混凝土结构，进行整体建模，充分利用各种计算工具进行分析计算，达到与实际工程等效的数值模拟，分析出不同材料对结构的影响程度，以指导结构设计师进行更为科学合理的设计。

本文以某实际医院工程为研究对象，利用3D3S、YJK 等设计软件进行数值模拟，以屋面大跨度网架在参与和不参与情形下的两种工况，分析不同工况，对整体结构的支座内力、阻力效果等影响程度，了解屋面大跨度钢结构在主体结构中产生的作用，确保结构设计方案得到优化[4]。

1 实际工程案例

依托工程位于银川市灵武市宁东镇，是一个整体新建的平地建筑群体，其中拱形穹顶建筑为占地面积约2297m2的门诊医技楼（大厅段），大厅左侧连接门诊楼，右侧连接医技楼，内部空旷无柱，屋面结构为跨度20.0～48.0m 的弧形网架，建筑高度为18.80m。

项目场地为Ⅱ类，抗震等级设为一级，抗震设防烈度为7 度，采用第3 组设计地震，根据地域特点选择的基本加速度为0.15，基本风压0.65kN/m2，混凝土强度等级均为C30，采用3 类框架柱截面，分别为600mm×600mm、800mm×600mm、900mm×650mm；屋面网架采用Q345B 钢管，其弹性模量为2.1×1011N/m2，泊松比为0.28，密度为7.85×103kg/m3。

采用3D3S 及YJK 软件进行建模，混凝土梁和柱均采用杆单元，各个楼板采用板单元。整个计算模型如图1 所示。

图1 计算模型

2 大跨度网架屋面对主体结构阻尼比、周期的影响

该工程存在两种主要结构（上部钢结构、下部混凝土结构），目前对此类工程设计时阻尼取值研究甚少[5]。通常情况下，采用比例阻尼的方法进行确定。

将式（1）进行正交交换，则有：

第i 阶阻尼和阻尼比列式如下：

采用YJK 软件计算时，下部混凝土结构的阻尼取0.05，上部钢结构网架阻尼取0.04，在主体结构阻尼比计算时采用应变能因子法计算。阻尼比、周期及质量参与系数计算结果见表1。

表1 周期、质量参与系数及阻尼比计算结果

为充分研究屋面钢结构影响主体结构周期的大小，本文在有限元模型设计中设置了去掉网架部分的荷载分析工况，在相应的位置辅以与有网架等量的荷载代替。对其结构周期进行计算，结果见表2 所示。

表2 结构周期计算结果

由表2 可知，阵型3 下的无网架与有网架参与，对结构的阵型影响最大，两者结构周期差值达到0.1188s。同时计算中发现，网架结构对主体结构向的影响最大，故而在设计中需增加向的约束，强化对向的连接，从而使得主体结构的各个方向的变形较为一致。

3 屋面大跨度网架对主体结构层间地震力的影响

大跨度屋面网架结构对主体结构的阻尼比产生影响，尤其是其不参与计算而以等效荷载作用时，影响主体结构阻尼比的程度更大。当主体结构周期在0.1 与范围内时，不同材料组成的主体结构层间地震力将主要受到阻尼比的影响。当阻尼比越小，地震影响系数越大，地震力也将越大。当主体结构周期在和5范围时，地震影响系数受阻尼比和周期共同影响。屋面网架不参与主体结构分析时，地震力的影响将会加大，实际的结构安全难以保证。

为分析屋面大跨度网架对主体结构地震剪力的影响程度，建立分析工况，在计算时不考虑屋面参与主体作用，同时假定整个主体结构的周期范围为[0.1s，，不同楼层的地震剪力运算结果见表3。

由表3 可知，有无网架结构参与计算对主体结构的地震力有影响。随着楼层的增大，不同方向下的地震力逐渐变小，同时有网架参与结构计算的同一方向的地震力差值逐渐增大。为此，在考虑屋面大型钢结构厂房的地震稳定性时，需充分考虑钢结构本身，否则计算得到的地震剪力偏小。同时也要考虑X 和Y 方向的地震力影响。

表3 楼层地震剪力计算结果

4 屋面大跨度网架对主要连接杆件的影响

为分析屋面大跨度网架对下部结构杆件连接的影响程度，在有限元分析中设置了2 种分析工况，即考虑混凝土柱段有网架和无网架两种情况。

本文在计算模型中，选取62.5m 方向上3-1 轴/3-H轴设置网架支座柱子进行分析。根据楼层结构将11.67m 划分为3 段，即第一段为第二层楼面2.67m，第二段为第三层楼面7.17m，第三段为11.67m。提取有限元分析结果中的水平地震作用结果如表4 所示。

表4 水平地震作用结果

由表4 可知，混凝土柱段有网架下的弯矩相比无网架下的弯矩大，并且弯矩值自上而下逐渐增大。为此，在有网架情况下，需加强对混凝土柱段支点的约束。

5 结束语

（1）钢结构与混凝土结构组合设计中，应深入考虑两种材料的阻尼比，在材料性质上分析不同材料对主体结构的影响。

（2）钢结构与混凝土结构组合设计中，应充分考虑地震作用的不利影响，依据地震反应谱的各个阶段及结构周期来选择合适措施。

（3）钢结构与混凝土结构组合设计中，应重点考虑不同材料之间的连接，充分考虑下部结构混凝土的强度等级，提高连接节点处的安全性。

（4）对于大型网架屋面，需结合有限元分析和相应的力学试验来确保结构设计的安全性。