医院大跨度钢结构连廊设计及施工技术

2023-11-09程忆加刘娜

中国建筑金属结构 2023年10期

程忆加，刘娜

（中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

医院作为重要的公共设施，需要提供安全、便捷的通道连接各个建筑物、楼层和功能区域。而传统的混凝土或砖石结构连廊存在造价高、施工周期长、开放空间受限等问题。因此，研究医院大跨度钢结构连廊的设计和施工技术，旨在突破传统限制，提供更灵活、经济高效的连廊解决方案，提升医院的运营效率和服务质量，满足现代医疗需求。

现阶段，国内外学者对钢结构连廊设计进行了大量研究，其中沈晓明[1]等提出了某柔性连接大跨钢结构连廊设计方法，从支座选型、结构静力和抗连续倒塌分析、楼盖舒适度分析等角度出发，采用有限元方法对钢连廊进行了设计与分析。杨嘉胤[2]等提出了杭州某连体高层办公楼结构设计方法，该方法主要对连体、连廊方案进行了比选，并采用YJK软件对连体结构进行了弹性时程分析和舒适度分析。除了上述方法之外，还有学者提出使用计算机辅助设计软件，如3D建模进行三维建模，以精确模拟和分析结构行为。

虽然上述技术均取得了一定的研究成果，但是在结构柱位移控制方面仍然具有一定的局限性，为此本文提出一种医院大跨度钢结构连廊设计及施工技术。该技术从临时提升支架布置、桁架焊接、操作平台搭设等方面，将医院连廊结构的功能布局、空间模式进行整体性优化，使得结构柱的位移得到了明显降低。

1 医院大跨度钢结构连廊设计及施工

1.1 医院大跨度钢结构连廊设计

本文设计的大跨度钢结构连廊包括钢结构拉杆、主桁架、次桁架、支承钢筋、连廊钢筋、连廊钢梁、承板配筋等结构组成。连廊钢筋设计在支承钢筋斜上方45°的位置，连廊钢梁设计在连廊屋面顶梁的位置，每个钢梁外间距10mm的位置设计两个承板配筋，与钢梁结构共同支撑连廊顶板压力。钢结构拉杆与连廊主桁架焊接在一起，以斜向上30°的角度焊接，与连廊主桁架形成稳固的结构。次桁架与主桁架以对角线的形式焊接，承受连廊大部分压力。在主桁架与次桁架下方设计角铁，并焊接支承钢筋，支承钢筋设计间距在50cm左右，与主桁架、次桁架共同承受连廊施加的压力。

1.2 大跨度钢结构连廊施工技术

1.2.1 布置医院连廊大跨度钢结构拉杆

本文将连廊桁架结构拼装完成，拼装范围包括楼面梁与楼承板。将钢结构连廊整体提升到标高的位置，确保连廊结构重心与平面中心位置接近。钢结构连廊在屋面标高位置，将钢结构拉杆的斜撑端与钢结构柱梁与支架横梁相连接，避免连廊提升受到障碍物的影响[3-5]。再将拉杆与柱底端连接，确保拉杆结构的支承效果。隔震支座预留空间在2.5m×2.5m的矩形区域，钢结构连廊的主体结构的拉杆连续布置，横向跨越塔楼，截面形式以箱型为主。钢结构拉杆的横梁面标高约为62.2m，外伸长度约为3 400mm。在拉杆的外伸末端，布置多个圆孔。在圆孔部位布置TJJ-2000kN的液压提升装置。钢结构拉杆的斜撑、横梁与连廊连接，并搭接在型钢混凝土柱上的圆孔上。钢结构拉杆与型钢混凝土柱以接焊缝的形式焊接，确保钢结构拉杆的稳定性。钢结构拉杆布置情况如图1所示。

图1 钢结构拉杆布置示意图

如图1所示，在两根型钢混凝土柱之间的轴上斜向上布置钢结构拉杆，拉杆、连廊、型钢混凝土柱形成一个直角三角形，使拉杆更加稳定。拉杆为H600mm×450mm×20mm×30mm，材质采用Q345C。钢结构拉杆与型钢混凝土柱的连接、连廊与型钢混凝土柱的连接、拉杆与连廊之间的连接，均采用焊缝对接，使拉杆结构稳定性更高。在裙楼屋面上搭接钢结构拉杆，并采用螺栓固定[6-8]。在钢结构拉杆与连廊之间倾斜角度为30°～45°的范围内，连廊与型钢混凝土柱保持在同一水平面的条件下，完成钢结构连廊桁架的焊接。

1.2.2 焊接大跨度钢结构连廊桁架

大跨度钢结构连廊的焊接作业包括桁架、框架、屋顶围护结构、各个杆件的对接焊接。本次工程采用了平焊、立焊、横焊等形式，针对不同复杂形式结构进行焊接，避免焊接量大出现的桁架形变问题。在焊接的过程中，风速在2m/s左右进行施工，手工电弧施工的风速低于8m/s，并未出现焊缝气孔的问题。为了保证焊缝施工质量，本次工程控制在晴好天气施工。在施工进度较慢时，为了追赶工期，本文在焊缝区域采取了必要的防护措施，确保焊缝施工质量。本文根据钢柱的实际位置，在焊接之前进行预热，预热温度控制在100℃～150℃之间，预热范围在焊缝位置的100～150mm。焊接过程中，连廊梁柱的内力变化情况如表1所示。

表1 连廊梁柱内力最大值汇总表

如表1所示，在医院大跨度钢结构连廊施工的过程中，下弦杆的最大应力比为0.13，最大剪应力比为0.06，整体稳定应力比为0.03，满足连廊设计要求。钢结构的焊接工作量往往超过工人的工作时间，本文采取了轮流作业的方式，各个工人焊接技术过硬，能够保证焊缝一次性完成。在钢桁架焊接的过程中，其屈服强度＞345MPa，焊接厚度＞30mm。本文采用了电加热的方式，处理温度设定在150℃～200℃之间，焊缝温度达到室内温度之后，完成钢桁架的焊接操作。

1.2.3 搭设医院大跨度钢结构连廊支承钢筋

在基本荷载的条件下，钢桁架结构腹杆与下弦杆承受了连廊格构柱的竖向压力，连廊格构柱容易出现形变问题。本文将连廊格构柱之间的间距设定为9 000mm，将腹杆与下弦杆的连接位置设定为6 000mm以内。选用H300mm×200mm×20mm×20mm的横缀条，并设置一个能够悬挑4 000mm长度的V字形加强节，承受格构柱在支撑连系梁位置的压力。在格构柱底端布置的加强节布置1 350mm×1 350mm×50mm的钢板，预埋HRB400钢筋，钢筋直径为25mm，共25根，使支承钢筋能够承受格构柱顶端的竖向承载力，满足连廊基地承载需求。支承钢筋与连廊主桁架的斜截面、混凝土柱、梁相交，连廊的整体压力由其下钢筋承担。支承钢筋布置剖面如图2所示。

图2 支承钢筋布置示意图

如图2所示，支承钢筋布置在连廊下方，格构柱、钢结构梁均成为连廊结构的有效支撑点。在格构柱标高55.550m的位置上，设置四条长度为27 000mm，宽度为1 000mm的支承钢筋，钢筋底部用75×5角钢，与钢桁架焊接。在桁架高度为1 500mm的位置，布置锚筋，锚固长度为15d。此时，对连廊的抗剪承载力Nv进行计算，公式如下：

式（1）中，nf为连廊连接构件受到的最大剪力；μ为滑移操作平台的传力摩擦面系数；P为移动操作平台承受的最大应力。计算出Nv之后，在连廊两端的塔楼上同时向连廊中部方向对称施工，在连廊上布置多个吊装节点，构件与预埋钢结构螺栓连接后，水平吊装连廊，从而满足大跨度钢结构连廊的安全施工需求。

2 实例分析

2.1 工程概况

为了验证本文设计的施工技术是否满足医院大跨度钢结构连廊设计需求，本文以X医院为例，对上述技术进行了实例分析。X医院是某市第一人民医院，是首批三级甲等综合医院，集医疗、教学、科研于一体，满足医院建设的综合需求。X医院本部位于一号路，占地面积约为1.625×105m2。医院整体东西长约400m，南北长约200m，呈东西向线性布局，跨度较大。医院内部设有门急诊楼、外科大楼、内科大楼、影像大楼、住院部等。为了方便住院部患者进行身体检查，X医院在住院部与影像楼、内科大楼之间建设了连廊，避免患者乘坐电梯上下楼出现磕碰的问题。医院连廊结构情况如图3所示。

图3 X医院连廊整体结构简图

如图3所示，连廊结构是由高度约为200m的3栋住院部、影像楼、内科大楼组成，钢结构连廊的长度约为300m，位置高度约为190m，跨越并支撑于塔楼1、2、3的屋面。X医院钢结构连廊的24个隔震支座分别安装在1、2、3塔楼的屋面。塔楼1为影像楼，塔楼2为住院部，塔楼3为内科大楼。为了满足连廊的施工质量要求，本文在住院部、影像楼、内科大楼的塔楼选择多个位置，布置应力监测节点，根据地下部分组合柱的影响，测定混凝土、钢管的协同形变能力。给定连廊的最大、最小应力变化范围与结构柱纵向最大位移，最终的施工质量指标越满足设计需求，连廊设计施工质量越佳。

2.2 应用结果

在2.1的施工条件下，本文随机选取出了8个连廊设计监测点。结合医院连廊实际施工情况，划分出各个监测点的应力范围、Z向最大位移。将其作为施工验收指标。并将本文设计的医院大跨度钢结构连廊施工技术的最大应力、最小应力、Z向位移作为对照指标，与验收指标进行对比。对照指标满足验收指标需求之后，即可确保本次连廊设计与施工质量。应用结果如表2所示。

表2 应用结果

如表2所示，Z向位移是连廊结构柱的纵向位移。对于大跨度钢结构连廊施工而言，连廊的应力与结构柱的位移监测至关重要。在应力范围之内，连廊的最大应力与最小应力在±10MPa以内，即可确保连廊应力能够符合实际施工需求，单体部位不会出现应力影响。Z向位移则需要低于连廊施工的Z向最大位移，在最大位移的范围内，结构柱的纵向位移越小，医院大跨度钢结构连廊的施工质量越佳。

本文在连廊设计区域布置了8个监测点，分别对监测点进行了应力监测与位移监测。在其他条件均已知的情况下，医院连廊的最大应力在55～155MPa的范围内波动；最小应力在-206～-70MPa的范围内波动。由此可见，使用本文设计的医院大跨度钢结构连廊施工技术之后，最大应力与最小应力均在应力±10MPa的范围内，Z向位移均在15mm以内，较之Z向最大位移降低了10～40mm，可以确保连廊结构施工质量，满足医院大跨度钢结构连廊设计与施工需求。