某高烈度地区基础隔震医院建筑钢结构屋架分析与设计

张兴 杨京华 阴伟华 崔宇强

中国中元国际工程有限公司 北京 100089

1 工程概况

某高烈度地区采用隔震设计的医院建筑异地新建项目位于甘肃省兰州市，建筑面积144544m2，主要建设内容为门诊医技楼、综合病房楼等。

建筑方案通过南北贯通的主街，方正的庭院单元，高低错落的建筑体量，体现设计理念，见图1建筑效果图。

图1 建筑效果图

其中，综合病房楼地上14层，采用框架-抗震墙结构；门诊医技楼地上4层，采用框架结构。

2 结构设计

2.1 整体分析

根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008），本工程为重点设防类防灾救灾建筑。根据甘肃省住建设厅关于转发《住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）》、《进一步做好我省减震隔震技术推广应用工作的通知》（甘建设〔2014〕260号），对抗震设防烈度8度及以上的地震高烈度地区及地震灾后重建的4至12层学校教学楼、学生宿舍、医院医疗用房、幼儿园等人员密集公共建筑，要求必须采用基础隔震技术进行设计，以提高此类建筑的抗大震能力，减少人员损失和提高抗震应急水平。

根据《工程场地地震安全性评价报告》，本工程抗震设防参数见 表1抗震设防参数。

表1 抗震设防参数

经分析，按抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类进行设计。门诊医技楼采用基础隔震技术，自隔震层楼板顶计算结构高度18.6+2.19=20.79m，宽96.6m，高宽比0.21。

钢结构屋架主要位于门诊医技楼屋顶，长度约116m，典型宽度17.3m，最大宽度46.9m；入口立柱之间无支撑跨度27.3m，门诊大厅处无支撑跨度19.2m。钢屋架平面、立面示意图，见图2钢屋架平面示意图、图3钢屋架立面示意图。

图2 钢屋架平面示意图

图3 钢屋架立面示意图

根据建筑造型要求，钢结构屋架呈飘带状，将门诊医技楼医疗主街采光顶与入口雨棚连为整体。为展现轻盈、完整的建筑效果，结构采用平板网壳形式，同时，为节省造价、降低施工难度，杆件采用热轧或焊接H型钢。

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010)(2016年版)、《空间网格结构技术规程》(JGJ7-2010) 及《钢结构设计标准》(GB50017-2017)等要求，空间网格结构分析时应考虑网格结构与下部支承结构的相互影响。初步分析时，采用YJK结构计算软件建立整体三维模型进行弹性分析，钢结构屋架与下部混凝土结构的连接采用铰支座连接，仅约束3个方向平动自由度，释放节点的转动自由度，便于控制连接杆件的截面尺寸，更有利于减小钢结构屋架对主体结构的影响，见图4结构yjk三维模型示意图[1][3]。

图4 结构yjk三维模型示意图

图5 第二阶振型（Y方向）示意图

图6 第七阶振型（Y方向）示意图模型建立

通过合理布置隔震支座，隔震后的上部结构自振周期（前3阶振型）是隔震前的约3.3倍。由此可见，结构设置隔震层，可有效降低地震发生时上部结构的地震响应。根据《抗规》第12.2.5条，确定隔震后水平地震影响系数最大值αmax1 ＝βαmax/ψ= 0.201*0.21/0.85=0.0497。按“降一度”的目标进行设计，综合确定隔震后上部结构采用的水平地震影响系数最大值αmax= 0.105。隔震层以上结构，隔震前、后的层间剪力比值的平均值最大值为0.201，结构整体振动周期及振型情况，如表2隔震前、后周期对比所示[2]。

表2 隔震前、后周期对比

由于结构下部设置了隔震层，其层间剪切刚度小于上部结构；并且，钢结构屋架整体质量远小于一般楼层（Mgi/Mgi-1=0.06，Mqi/Mqi-1=0.09），结构前3阶振型整体表现为“平、平、扭”，自第7阶振型开始，钢屋架产生局部振动。在地震作用下，钢结构屋架与主体结构之间的相互影响较小，主要用于评估结构整体的地震响应及钢屋架对下部混凝土结构的影响。为较为准确的计算分析钢结构屋架，采用其他软件建立独立的钢结构模型进行对比分析。

2.2 钢屋架计算分析

采用3D3S、SAUSAGE进行补充分析。比较YJK、3D3S和Sausage计算的结构质量及跨中A点位移，见下表所示。位移值与网壳的最大跨度比为1/466，满足《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010中1/400的要求。结构质量及位移差值均＜5%，表明结构模型中荷载及相关计算条件的是基本一致。

表3 YJK、3D3S、sausage质量、位移对比

图7 YJK整体模型楼层质量比与楼层剪切刚度比

图8 不同软件位移计算结果

2.3 设计验算结果

根据计算分析模型，进行规范检验，检验结果表明，结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值小于0.90。

图9 杆件“应力比”三维示意图

图10 杆件“应力比”分布图

根据计算结果，钢结构屋架顶面与正立面相交位置节点应力比较大（0.90），选取其进行有限元分析。

图11 节点位置顶面示意图

图12 节点位置立面示意图

2.4 节点分析

采用ABAQUS验算钢结构屋面中的典型节点。根据3D3S计算结果，钢结构屋架顶面与正立面相交位置节点应力比较大，故选取其进行有限元分析，见下图，其中钢梁为H型钢，钢柱为圆形钢管。钢材均采用Q355B。

最大荷载组合下，节点应力分布图如下各图。最大应力均小于Q355钢材的屈服应力。最大荷载组合下，钢结构节点区域均处于弹性工作状态，满足设计要求。最大荷载组合作用下，节点区域应力最大值为248MPa，小于Q355钢材的屈服应力。

图13 典型节点有限元分析及结果

2.5 整体稳定性分析

在重力荷载代表值组合下（1.0恒+0.5活），仅考虑构件初始缺陷的情况，Sausage计算得到的屈曲因子ηcr为37.06＞安全系数K=4.2，满足《空间网格结构技术规程》4.3.4中的相关规定。

根据《钢结构设计标准》中公式5.1.6-2，二阶效应系数为0.027＜0.1，满足规范要求，即可对钢屋架采用一阶弹性分析方法进行计算[4]。

图14 整体稳定性分析计算结果

选取重力加载工况（1.0恒+1.0活）竖向位移最大位置166号节点，显示荷载位移曲线，荷载与初始荷载的比值约为8＞安全系数K=2，满足《空间网格结构技术规程》4.3.4中的相关规定[5]。

2.6 抗连续倒塌设计

图15 支撑构件立面示意图

对于钢屋架中与主体结构验算中的关键杆件，考虑其可能失效对钢结构屋架的影响，故删除钢结构屋架与主体结构连接杆，钢屋架在标准组合（1.0恒+1.0活）下的变形如图 16 所示：

图16 删除关键杆件位移与杆件应力结果三维示意图

钢屋架的竖向位移为81.78mm，位移值与网壳的最大跨度比为1/573，满足《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010中1/400的要求；最大应力比0.95＜1.0，即去掉约束后结构满足抗连续防倒塌设计。

3 结论

（1）针对某高烈度地区采用隔震设计的医院建筑门诊医技楼及钢屋架建立整体分析模型。经比较，由于门诊医技楼下部设置隔震层，且顶部钢结构屋架整体质量远小于一般楼层，与主体结构之间的相互影响较小，因此建立独立的钢模型进行分析。

（2）选取钢结构屋架顶面与正立面相交位置节点应力比较大（0.90）位置采用ABAQUS进行有限元分析，节点区域构件均处于弹性工作状态，满足设计要求。

（3）在重力荷载代表值组合下（1.0恒+0.5活），仅考虑构件初始缺陷的情况，Sausage计算得到的屈曲因子ηcr为37.06＞安全系数K=4.2，可对钢屋架采用一阶弹性分析方法进行计算。

（4）按最低阶整体屈曲模态考虑结构整体初始几何缺陷（L／300），荷载与初始荷载的比值为8＞安全系数K=2，满足《空间网格结构技术规程》4.3.4中的相关规定。

（5）考虑钢屋架与主体结构连接的关键杆件失效的情况，钢屋架的竖向位移为81.78mm,1/573＜1/400，满足《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010的要求，去掉约束后结构满足连续防倒塌设计。