某医院住院楼设计

刘佳毅，王 琳，龚 琦，张 建

(1.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南 昆明 650051；2.云南鑫华建设咨询监理有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

项目位于云南省施甸县。该住院楼总建筑面积为30 283.20 m2；地上11层，地下1层，建筑高度46.200 m，长120.6 m，宽23.5 m。结构形式为钢支撑(BRB)-钢筋混凝土框架结构，采用减震技术，1～11层设置BRB。结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。抗震设防烈度为8度，设计地震基本加速度值为0.20 g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期值0.45 s，框架抗震等级特一级。建筑设防类别：重点设防类(乙类)。

1 基础设计

工程采用筏形基础，筏板厚1 500 mm，柱下设置下柱墩，以③层碎石层为持力层，承载力特征值为280 kPa。

图1 效果图

2 结构选型及布置

2.1 结构选型

根据《云南省建设工程抗震设防管理条例》《云南省隔震减震建筑工程促进规定》的有关要求，该项目需采用减隔震技术，受制于建筑要求，无法采用隔震技术，只能采用减震技术。

该住院楼2层设有手术室，无法布置剪力墙，故普通框架-抗震墙或抗震墙结构无法实现。在满足建筑使用功能的前提下，可供选择的结构体系为钢框架，钢筋混凝土框架、钢支撑-钢筋混凝土框架。经计算比较，钢支撑-钢筋混凝土框架结构的经济性要优于其余两种，故最终确定采用该结构体系。

图2 基础平面布置图

2.2 结构布置

住院楼标准柱跨为7.8×8.5 m、7.8×7.4 m。砼强度等级C50～30。其中建筑一、二层梁、柱均配置钢骨。主要构件截面尺寸见表1。

表1 构件截面尺寸

工程采用YJK软件试算的方式，首先估算出当结构达到目标位移值时，所需的附加刚度，每层设置合理数量的阻尼器及合理的阻尼器有效刚度。同时验算底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分比，以满足该结构体系的要求，验算结果见表2、表3。阻尼器的布置遵循均匀、分散、对称的原则。该工程防屈曲支撑布置图见3-5，各层数量见表4。

表2 向地震倾覆力矩

表3 向地震倾覆力矩

表4 全楼BRB汇总表

图3 首层BRB布置

图4 标准层BRB布置

图5 顶层BRB布置

图6 结构布置图

3上部结构设计

3.1 嵌固端的选取

该工程地下室住院楼下部为1层，其余部分均为2层。住院楼与纯地下室存在0.9 m高差，为保证水平力的有效传递，设置斜板及斜墙，地下室顶部作为上部结构的嵌固部位，地下一层满足相应的嵌固要求。

3.2 超限情况

工程存在以下不规则项：

1)楼板不连续：楼板有效宽度为40 %

2)11层局部有框架柱转换。

该建筑为平面一般不规则，竖向一般不规则的结构。

3.3 性能目标

该工程减震要求为：在多遇地震下，其建筑结构须完全保持弹性，且非结构构件无明显损坏；在罕遇地震作用下，其减震阻尼器系统仍能正常发挥功能。

表5 减震性能目标

4 结构多遇地震下的分析

4.1 反应谱计算

计算软件采用YJK(1.8.3)与SAP2000(19.0.0)2种软件进行。

主要计算指标见表6-8

表6 结构周期对比

表7 结构楼层剪力对比

表8 结构位移角汇总

由表8可知2种软件计算结果基本一致。表明结构布置合理，无较大的扭转效应；各指标均满足相关规范要求。

4.2 弹性时程分析

工程选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，结果取平均值。所选取加速度时程曲线满足规范要求且与反应谱拟合较好，详见表9及图6。

表9 结构模型底部剪力对比

注：T534号—1980年MAMMOTH LAKES地震CAS HBAUG&HRANCH台站记录；T570号—1999年CHI-CHI TAIWAN地震CHY062台站记录；T605号—1995年KOBE JAPAN地震TAKARAZU台站记录；T620号—1984年MORGAN HILL地震HOLLISTER DIFFARRAY台站记录；T703号—2002年GILROY地震DUBLIN FIRE STATION台站记录.R1、R2为人工波

经计算，各加速度时程曲线在多遇地震下最大层间位移角平均值X方向为1/863，Y方向为1/832，均小于减震目标值1/720；层间位移角曲线详见图7，8。提取所有BRB在各工况下的轴力进行分析可知，在风荷载、温度荷载、地震作用下所有BRB的轴力均小于其屈服力，故BRB处于完全弹性状态。

图7 X向小震层间位移角曲线

图8 X向小震层间位移角曲线

5 结构罕遇地震下的分析

进行大震弹塑性时程分析时，选用选取了实际2条强震记录和1条人工模拟加速度时程曲线，结果取包络值。

经计算分析在罕遇地震作用下，减震结构X向的层间位移角包络值为1/159，非减震结构X向的层间位移角为1/116，减震结构与非减震结构的水平位移比为0.73；减震结构Y向的层间位移角包络值为1/163，非减震结构Y向的层间位移角为1/122，减震结构与非减震结构的水平位移比为0.75。同时绝大多数屈曲约束支撑(BRB)进入塑性阶段，发挥了良好的耗能能力。少量(14个，占比4.6 %)屈曲约束支撑(BRB)仍处于弹性阶段，作为超罕遇地震下的安全储备。结果详见图9-13。

图9 X向大震层间位移角曲线

图10 Y向大震层间位移角曲线

图11 R1波Y向能量耗散曲线

图12 181号支撑T570波Y向滞回曲线

6 主要抗震措施

1)该工程为高层钢支撑(BRB)-钢筋混凝土框架结构，为保证柱在地震时有足够的延性，在底部两层梁、柱中设置型钢，在其他楼层混凝土柱中设置芯柱及使用复合箍。

2)对于楼板不连续的结构，计算时采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，并计入楼板局部变形的影响。对于楼板不连续的区域，通过加厚该区域楼板厚度，并以楼板应力分析结果进行楼板配筋，以保证地震作用的传力途径。

3)超长结构措施：局部薄弱楼板加厚至150 mm厚，楼板采用温度应力分析复核并加强配筋，梁板混凝土中掺入抗裂膨胀剂并增设膨胀加强带。

4)地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，住院楼下地下室顶板与纯地下室顶板间存在0.9 m高差，为保证水平力有效传递及顶板嵌固的有效性，在高差处设置斜板斜墙。

5)为避免地下室顶板子结构梁出现转动对一层屈曲约束支撑产生不利影响，在子结构梁下均增加350 mm厚构造剪力墙。

图13 R1波X向最终出铰情况

7 结 语

与框架结构附加BRB的体系相比，钢支撑(BRB)-混凝土框架结构将适用的最大高度大幅增加，能有效解决高度超限问题；有较好的经济型。与普通钢支撑-混凝土框架结构相比，BRB可以自由调节刚度而不存在失稳的问题，在中、大震下屈服耗能保护结构主体。普通钢支撑则受限于构造要求，难以自由调节其刚度。

由于住院楼内填充墙数量较多，结构总质量较大，单位面积质量(恒载)达到16.7 kN/m2，以一般轴压比限值控制柱截面则会造成柱截面过大，通过使用复合箍+芯柱提高柱轴压比限值可大幅减小柱截面；同时减小柱的截面也能提高柱间位移，增加BRB的工作效率。

综上所述，该结构体系选取、结构布置合理，具有良好的抗震耗能机制。采用钢支撑(BRB)-混凝土框架结构既有效提高了结构主体的安全性又具有较好的经济性。