邵逸夫医院康桥院区门诊医技楼结构抗震性能化设计_李小军.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言随着城市化进程的发展，特大城市的医疗资源急需拓展，新建综合性大型三甲医院越来越多，带大底盘裙房的多塔建筑能有效地把门诊、急诊、急救、医技与住院等医疗功能区相对集中组合以利资源共享，提供全优流程和服务，体现人性化、家庭化、舒适化的设计，改变传统医院的空间气氛，为患者和医护人员创造良好的就诊和工作环境，具有推动社会发展和创建美好生活的意义。带大底盘裙房的多塔高层建筑结构一般都会存在多项不规则，属于复杂超限高层建筑，本文以项目实例，采用抗震性能化设计方法，分别计算小震、中震、大震的地震作用和采取针对性的加强措施，从而满足结构抗震设计的设防要求。2工程概况邵逸夫医院康桥院区项目位于杭州拱墅区康桥健康产业园内，项目主要功能为门诊、医技和住院等医疗功能，由1#住院楼和2#、3#、4#组成的门诊楼、医技楼及2层地下室组成，总建筑面积约17.289 7万m2。项目1#楼与2#、3#、4#楼的地下部分连为一体，在地面以上则设置抗震缝完全分开；2#、3#、4#门诊、医技楼之间则不设置抗震缝，形成两幢分别为地上13层和11层的高层塔楼及4层大底盘裙房组成的高层多塔建筑，也是本文论述的子项。结构设计均以地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。项目整体地下室共2层，地下2层主要功能为放疗中心、机动车停车库和设备机房，地下1层主要功能为厨房、餐厅、放射科、核医学中心、中心供应、机动车停车库和设备机房。地下室部分区域设置五、六级两类人防。2#、3#、4#楼组成的门诊【作者简介】李小军（1978），男，浙江杭州人，高级工程师，一级注册结构工程师，从事建筑结构设计与研究。邵逸夫医院康桥院区门诊医技楼结构抗震性能化设计Structure Seismic Performance Design of Outpatient Medical Technology Buildingin Kangqiao Area of Sir Run Run Shaw Hospital李小军，吴勇华（汉嘉设计集团股份有限公司，杭州 310005）LI Xiao-jun,WU Yong-hua(HanjiaDesignGroupCo.Ltd.,Hangzhou310005,China)【摘要】邵逸夫医院康桥院区门诊医技楼为带大底盘裙房的多塔建筑，为重点设防类建筑，采用框架剪力墙结构。论文分析了本项目的抗震超限情况；简要介绍了本项目基于抗震性能的设计方法；应用 SATWE 和 ETABS 软件分别对结构进行计算分析；采用整体和分塔楼计算模型分别验算整体结构和各塔楼结构周期、楼层剪力、楼层位移比等参数并进行对比，两种软件计算结构基本一致；利用 PKPM-SAUSAGE软件进行大震作用下的结构动力弹塑性补充分析。结果显示，结构性能满足预定性能目标要求。【A b s t r a c t】The outpatient medical technology building of Sir Run Run Shaw Hospital Kangqiao Campus is a multi-tower building with alargechassispodium.Itisakeyfortifiedbuildingwithframeshearwallstructure.Thepaperanalyzestheseismicexceptionintheproject,brieflyintroduces the design method of the project based on the seismic performance,calculates and analyzes the structure by using SATWE andETABSsoftware,checkesandcomparesthe structural period,floor shear,floor displacement ratio and other parametersofthe whole structureand each tower byusing the whole and sub-tower calculation models.PKPM-SAUSAGE software was used to perform dynamic elastoplasticsupplementary analysis of the structure under large earthquake,and the results showed that the structure performance met the predeterminedperformancetargetrequirements.【关键词】医疗建筑；抗震性能目标；弹塑性分析；楼板应力【K e y w o r d s】medicalbuilding;seismicperformanceobjective;elastoplasticanalysis;thefloorstress【中图分类号】TU352.1+1【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0010-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.20310楼、医技楼的4层大底盘裙房（4#楼）高度为20.850 m，13层塔楼（2#楼）建筑高度为59.750 m，11层塔楼（3#楼）建筑高度为51.150 m。14层为门诊、医技功能，1、2层层高为5.40 m，3层、4层层高为5.10 m；5层为设备转换层，层高为5.10 m；6层及6层以上主要功能为住院病房，层高均为4.20 m。本工程抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第一组，建筑场地类别为类，地震动反应谱特征周期值为0.45 s，为重点设防类建筑。3上部结构体系和结构布置2#、3#、4#楼的高度均满足JGJ 32010高层建筑混凝土结构技术规程1（以下简称高规）表3.3.1-1中A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度要求，结构体系均采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。大底盘裙房4#楼的框架柱截面尺寸为600 mm600 mm；17层2#塔楼范围的柱截面尺寸为850 mm1 000 mm，7层以上主要柱截面尺寸为700 mm800 mm；17层3#塔楼范围的柱截面尺寸为800 mm900 mm，7层以上主要柱截面尺寸为700 mm700 mm。混凝土强度等级按楼层分段采用，1层、2层采用C50，36层采用C45，710层采用C40，11层及以上采用C35。结合本项目的建筑平面布置，为保证大底盘裙房有足够的抗扭刚度和抗扭承载能力，利用大底盘裙房和塔楼的楼梯、电梯间布置了部分剪力墙。考虑到塔楼的楼、电梯间均在塔楼的北侧，在塔楼的南侧两端部位也适当布置了剪力墙，以此缩小塔楼的刚心和质心偏差。塔楼的17层剪力墙厚度为400 mm，7层以上为350 mm；大底盘裙房剪力墙厚度为350 mm。楼、屋盖结构均采用主次梁体系，大底盘裙房屋面层及上下各一层（结构46层）楼板板厚均采用150 mm，其余楼层楼板厚为130 mm，大洞口周边楼板板厚采用150 mm。楼板混凝土强度等级均采用C30。4抗震性能化设计要求4.1结构不规则情况分析本工程的高度不超限。根据住房和城乡建设部超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质201567号）2的相关规定，本工程属于大底板裙房多塔建筑，多塔合质心与大底盘的质心偏心距为底盘相应边长的24%，大于20%的要求，存在竖向尺寸突变且塔楼偏置不规则；本工程在规定水平地震作用下，考虑偶然偏心影响的X、Y向扭转位移比分别为1.26和1.35，均大于1.2，属于扭转不规则；结构5层楼板在中庭位置X向开洞尺寸大于该方向楼板有效宽度的50%，造成楼板不连续；此外，入口门厅位置还有少量3层通高柱，属于其他不规则。综上所述，本工程存在3项一般不规则和1项特别不规则，属于超限高层建筑，需进行抗震设防专项审查。4.2抗震性能目标选择结合本项目的建筑使用功能，本工程的抗震性能目标采用C级，各类构件的抗震性能目标如表1所示。5抗震性能化设计与计算5.1计算分析1）应用两个独立的软件SATWE和ETABS分别对结构在小震下的地震作用进行计算分析，采用整体和带三跨裙房的分塔楼计算模型分别验算整体结构和各塔楼结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期的比值、楼层剪力、楼层位移比等参数，并按不利计算结果进行包络设计。计算后可知两种软件的反应谱分析结果数值上比较接近，结构的扭转周期比值均远小于0.85，结构相对扭转效应较构件类别地震烈度多遇地震设防地震罕遇地震关键构件15 层塔楼内竖向构件及 2#、3#塔楼 6层周边竖向构件（剪力墙和框架柱）弹性抗剪弹性、抗弯不屈服抗剪不屈服穿层柱弹性弹性抗弯、抗剪不屈服普通竖向构件其余剪力墙、普通框架柱弹性抗剪不屈服、抗弯不屈服部分屈服但满足最小受剪截面，控制柱屈服数量不大于 10%耗能构件连梁、其余框架梁弹性抗剪不屈服允许进入塑性5 层框架梁弹性抗弯不屈服、抗剪不屈服部分屈服但满足最小受剪截面5 层板弹性钢筋不屈服允许开裂，控制裂缝宽度及刚度退化表 1各类构件的抗震性能目标Architectural and Structural Design建筑与结构设计11Construction&DesignForProject工程建设与设计小，抗扭刚度较为理想；多遇地震作用下的层间位移角均远小于高规3.7.3条要求的1/800，结构抗侧刚度较强，且无刚度薄弱层，符合规范要求；整体底层剪力计算结果误差为：X向4.2%，Y向2.8%，塔楼底层（第5层）的剪力计算结果误差为2#楼：X向4.4%，Y向3.7%；3#楼：X向3.8%，Y向2.5%，计算结果误差较小。此外，两种软件分别计算的剪重比、刚重比、楼层侧向刚度比、楼层受剪承载力、底层框架承担的地震倾覆力矩均满足规范要求。由此可见，本工程整体结构布置合理，结构传力途径简单，有足够的刚度保证结构安全。采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，地震波选择SATWE软件自带的天然波和人工波，共选择5条天然波和2条人工波进行分析，并与振型分解反应谱法的计算结果进行对比，弹性时程分析计算的基底剪力均满足高规中“不小于反应谱法结果的65%，同时不大于 反应谱 法 结果 的135%”的要求，基底剪力平均值也满足高规“不小于反应谱法结果的80%，同时不大于反应谱法结果的120%”的要求，满足在统计意义上相符的要求。采用PKPM-SAUSAGE软件进行大震作用下的结构动力弹塑性补充分析，考察结构在大震作用下的塑性发展情况和构件损伤情况，地震波选择软件自带的天然波和人工波，共选择2条天然波和1条人工波，3条波均满足高规对地震波的要求。从计算结果上看3，在大震作用下，结构整体在X、Y向的弹塑性层间能满足高规限值1/100的要求；塔楼部分核心筒剪力墙受压轻微损伤，主要分布在墙体底部，剪力墙损伤基本上集中在连梁上，连梁充分发挥了耗能作用；当剪力墙核心筒出现塑性刚度下降后，框架的承载力足够，未出现明显损伤，框架可以起到第二道防线的作用。剪力墙受拉损伤总体较轻，墙体分布筋除局部有塑性应变外，其余均未进入屈服阶段，墙体具有较大的受拉承载力。综上，在大震作用下，结构基本满足预定性能目标要求。5.2楼板应力分析本工程为大底盘多塔楼结构，同时存在扭转不规则，楼板不连续，塔楼偏置多项不规则；且本工程大底盘裙房平面长度X向为116.4 m，Y向为84 m，超过了JGJ 32010高层建筑混凝土结构技术规程规定的不设伸缩缝的最大间距，属于超长建筑。为考察各层楼板在地震作用和温度作用下的内力情况，采用弹性楼板计算模型，增加33、63两个计算地震作用角度，设置+20、-15 温度场，按最不利的计算结果进行应力取值，再把楼板应力转换为楼板水平向内力，考虑楼板上下层钢筋同步受力，采取在楼板内增设钢筋的方法以抵抗此拉力。5.3加强措施1）大底盘屋面上下各两层的塔楼周边竖向构件的抗震等级提高一级；2）塔楼周边框架柱从地下室顶板起至裙房屋面上2层的高度范围内，框架柱箍筋全高加密，纵筋配筋增大10%，剪力墙提高纵筋最小配筋率至0.5%，控制剪力墙墙肢轴压比不大于0.40，并按规范设置约束边缘构件；3）加强14层大底盘周边框架柱的配筋，纵筋配筋增大10%，柱箍筋全高加密，剪力墙提高纵筋最小配筋率至0.4%，并按规范设置约束边缘构件；4）加强塔楼之间裙房连接体的屋面梁配筋，纵筋配筋比计算值增大10%；5）控制穿层柱的轴压比不大于0.6，提高柱的配箍率，箍筋全高加密；6）为加强楼板整体的刚度，2层、3层洞口周边楼板加厚至150 mm，4层、5层（大底盘屋面层）、6层楼板整层加厚至150 mm，其余楼层楼板厚度均不小于120 mm；各楼层楼板及屋面板均采用双层双向配筋，拉通钢筋的配筋 率不 小于0.25%，26层楼板及屋面板配筋均采用双层双向配筋，间距不大于100 mm，直径不小于8 mm；7）表1中的各类构件按对应性能目标进行验算配筋。6结语随着社会的发展，大底盘多塔建筑应用越来越广泛，本工程的结构设计方案较好地结合了建筑的使用功能，通过设定抗震性能目标，对结构进行小震、中震及大震分析，找出结构的相应的薄弱部位，再针对结构薄弱部位，采取针对性的加强措施，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求，保证了结构设计合理、安全。【参考文献】1中国建筑科学研究院,北京市建筑设计研究院,华东建筑设计研究院有限公司，等.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ32010S.北京：中国建筑工业出版社，2010.2中华人民共和国住房和城乡建设部.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Z.【收稿日期】2023-04-0212