江苏省康复医院木-混凝土混合结构体系设计与分析*

王深山, 宗 超, 翟家骏, 程小武, 汪 栋, 孙小鸾

(1 中国建筑第五工程局有限公司，长沙 410082；2 南京工业大学土木工程学院，南京 211806)

1 工程概况

江苏省康复医院位于南京市溧水区,总建筑面积约208000m2,其中地上部分建筑面积约146000m2,地下部分建筑面积约62000m2,是目前国内规模较大、定位标准较高的世界一流康复专科医院。项目建筑包括门诊医技综合楼与住院楼两部分,项目整体效果图如图1所示,门诊医技综合楼位于中央部分,周围六座发散状单体为住院楼。门诊医技综合楼采用木-混凝土混合结构,建筑共8层,1～5层为门诊医技区,采用混凝土框架结构,其中1层层高5.4m,2～5层层高4.5m;6层为混凝土架空层,层高3.7m,用于屋顶花园及设备间功能;7、8层为科研办公区,层高4.1m,采用胶合木梁柱+正交胶合木(CLT)组合楼盖+混凝土框架的混合结构体系,该结构体系在国内应用较为少见,具有一定的创新性。

图1 项目整体效果图

1.1 设计参数

本工程结构安全等级为一级,抗震设防类别为乙类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组;建筑场地类别为Ⅱ类,特征周期为0.35s;设计使用年限为50年。

混凝土框架柱截面主要为600×600、700×700、800×800等;框架主梁截面宽度为300、400mm,截面高度600～800mm;次梁截面宽度200mm,截面高度400～600mm。混凝土柱强度等级:1层为C55,顶部3层为C30,中间楼层根据受力需求强度等级取C35～C50。混凝土梁板强度等级均为C30。

本工程选用TCT32强度等级的胶合木,其性能参数见表1,胶合木梁柱采用优质落叶松制作,木材外观等级考虑木构件外露采用一级,胶合木梁柱构件截面参数见表2。楼(屋)面板选用结构性能优异、外观质量等级为一级的CLT,强度等级为C20,其性能参数如表3所示,层板采用云杉制作。钢板连接件采用Q235B,螺栓采用普通4.8级,热镀锌处理;钢销采用不锈钢材质。

表1 胶合木强度设计值及弹性模量/MPa

表2 胶合木梁柱构件截面参数

表3 正交胶合木C20的强度及弹性模量/MPa

1.2 结构特色

本工程采用了木-混凝土混合结构体系,标准层结构平面布置图如图2所示,其中,混合结构体系竖向与水平的布置方式示意图分别见图3、4。

图2 标准层结构平面布置图

图3 混合结构体系竖向布置方式示意图

图4 混合结构体系水平布置方式示意图

混凝土结构具有良好的抗侧及防火性能,而木结构材质轻,在抗震、环保、节能和施工效率方面优势显著,项目将木与混凝土两者特性有效融合,充分发挥了两种材料的性能优势。在顶部两层水平混合结构体系中,木结构部分仅承担所在区域的竖向载荷,不设置抗侧墙体,结构通透、利于使用;建筑核心区域以及楼梯间区域采用的混凝土框架则同时承担楼层所有的水平作用及所在区域的竖向荷载。为有效地将木结构部分的地震作用传递至混凝土框架,木结构区域采用了CLT组合楼盖。该楼盖在CLT楼板顶部铺设拉结钢板条,并采用自攻螺钉固定,再浇注50mm厚的细石混凝土层,确保地震作用下结构各部分的协同工作。CLT组合楼盖构造及布置如图5所示。

图5 CLT组合楼盖钢板条布置及构造

木结构节点均采用装配式连接方式,柱脚处采用十字钢插板,销栓连接;梁柱节点采用带托板的双填板螺栓连接,梁端钢托板底部采用阻燃木板防火封堵,木结构典型节点示意如图6所示。

图6 木结构典型连接节点示意图

2 整体有限元分析及结果

2.1 分析模型与荷载工况

采用MIDAS Gen建立结构整体有限元分析模型,如图7所示,其中,木结构梁柱按梁单元模拟,木结构楼(屋)面板按弹性板考虑;木柱与混凝土柱之间按铰接处理;考虑到施工与使用中木结构与混凝土区域交接处存在竖向变形差异,将木梁与混凝土支座按铰接考虑;首层混凝土柱考虑在地下室顶板嵌固,支座按固接考虑。地震作用分析采用振型分解反应谱法,木材与混凝土两种材料选用不同的阻尼比[1-5],采用应变能因子法[6]得到结构各振型阻尼比分布情况,最终整体分析中结构阻尼比取0.045。结构分析时考虑荷载组合工况见表4。

表4 荷载组合工况

图7 有限元分析模型

2.2 整体指标结果

采用特征值分析法对结构的动力特性进行分析,结构前4阶振型对应的周期见表5,结构振型如图8所示。结构前两阶振型以平动为主,第3阶振型以扭转为主,且第3阶扭转周期与第1阶平动周期比为0.89,小于0.9,结构扭转刚度满足《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226—2017)第6.2.6条要求。

表5 结构整体动力特性

图8 结构振型图

考虑5%的偶然偏心时,X向地震作用下的楼层最大层间位移与平均位移的比值见表6;Y向地震作用下的楼层最大层间位移与平均位移的比值见表7。可见,在X、Y向地震作用下,结构的最大层间位移与平均位移之比基本小于规范要求的1.2限值。

表6 X向地震作用下结构最大层间位移与平均位移比

表7 Y向地震作用下结构最大层间位移与平均位移比

2.3 木结构验算

对照表4的荷载组合工况,木构件包络分析应力如图9、10所示。木柱应力最大值约为12.7MPa,木梁应力最大值约为15.6MPa,构件截面尺寸满足设计要求。

图9 木柱包络应力/MPa

图10 木梁包络应力/MPa

3 CLT楼板验算

本工程7层的楼盖及屋盖中结构楼板采用CLT,7层CLT楼板厚度为140mm,屋面CLT板厚度选用180mm,均为5层层板胶合,层板选用欧洲进口1级云杉。以140mm厚CLT楼板为例,分别验算CLT楼板的强度、挠度、楼盖振动以及抗火等内容。

3.1 楼板强度验算

CLT楼板层板分层为40l-20w-20l-20w-40l,其中,l表示顺纹方向,w表示横纹方向,数字表示厚度。根据荷载组合取最不利值进行截面验算。楼板计算宽度为1000mm,计算跨度选取典型跨度2800mm。CLT楼板板材调整后的抗弯强度设计值取11.92N/mm2。

根据CLT技术指南[7],按式(1)～(4)进行CLT楼板的弯曲应力σd以及抗剪强度τd验算:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Md为设计弯矩;Wx,net为CLT楼板的净截面抗弯截面模量;Vd为设计剪力;Sx,net为CLT楼板净截面的静矩;Ix,net为CLT楼板净截面惯性矩;hCLT为CLT楼板的厚度;bx为CLT楼板的宽度;t1、t3、t5分别为第1、3、5层层板的厚度;a1、a3、a5分别为第1、3、5层层板中心到CLT楼板中性轴的距离。

计算求得,楼板跨中弯曲应力为6.31N/mm2,弯曲应力比为0.53;楼板支座处剪应力为0.21N/mm2,剪应力比为0.33,均满足设计要求。

3.2 楼板挠度验算

永久荷载作用下最终变形ωfin,G可表示为式(5):

ωfin,G=ωinst,G+ωcreep,G=ωinst,G(1+kdef)

(5)

第i个可变荷载作用下最终变形ωfin,Qi可表示为式(6):

ωfin,Qi=ωinst,Qi+ωcreep,Qi=ωinst,Qi(1+ψ2,ikdef)

(6)

式中:ψ2，i为可变作用准永久值系数;kdef为蠕变系数。

根据式(6)求得楼板最终挠度为9.72mm,小于容许挠度L/250,楼板使用阶段刚度满足设计要求。

3.3 楼盖振动验算

按CLT楼板上覆盖混凝土形成的组合楼盖进行楼板振动频率验算,楼板阻尼比对照表8取2.5%。

表8 不同CLT组合楼盖的阻尼比[7]

(7)

式中:(EI)L为楼盖强轴方向的抗弯刚度;m为每平方米楼盖的质量。

考虑CLT楼板顶部混凝土面层贡献,根据式(7)求得楼盖振动频率为8.34Hz,满足设计要求。

楼盖脉冲速度响应是评价振动造成不适感的一个不完全指标。脉冲速度响应的允许值取决于楼盖的基频和阻尼,但应尽可能低。基频不高于40Hz的1阶振型的数量n40按式(8)计算:

(8)

式中:B为楼盖宽度;(EI)B为垂直于强轴方向的抗弯刚度。

脉冲速度响应按式(9)验算:

(9)

根据式(9)计算得到脉冲速度响应为0.00148。根据CLT技术指南[7]确定脉冲速度响应限值为b(f1ζ-1)=100(6.34×2.5%-1),其中ζ为阻尼比,b取100m/(N·s2),故脉冲速度响应满足要求。

3.4 楼板抗火验算

根据《木结构设计标准》(GB 50005—2017)的截面削弱法,结合欧洲规范EN 1995-1-2[9]理论进行CLT楼板的抗火设计,CLT楼板的耐火极限为1.5h,板底涂刷防火涂料。经计算,火灾情况下CLT楼板分层为40l-12.6w。

燃烧后的楼板截面有效惯性矩I0,fi按式(10)计算:

(10)

式中:di为第i层层板的厚度;ai为第i层层板中心到CLT楼板中性轴的距离。

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燃烧后的楼板净抗弯截面模量Wx,net,fi按式(11)计算:

(11)

式中:Z0,σ为CLT楼板下表面到中和轴的高度;Z0,u为CLT楼板上表面到中和轴的高度。

考虑火灾的偶然性特征,荷载分项系数取0.6,得出火灾工况下CLT楼板截面弯矩设计值为2.88kN·m,楼板考虑火灾时的抗弯强度设计值fm,fi式(12)计算,为22.20MPa。

(12)

式中:kfi为由5分位值到20分位值的转换系数,对于正交胶合木,取1.15;kmod,fi为火灾条件下持续作用效应和含水率调整系数,采用截面削弱法计算时,取1.0;fm,k为CLT楼板的抗弯强度标准值;γM,fi为火宅时木材的材料分项系数,取1.0。

经验算,火灾时构件弯曲应力为14.20MPa,强度利用率为0.64,抗火满足要求。

4 梁柱抗火与整体消防设计

4.1 胶合木梁柱抗火设计

针对本工程胶合木梁柱或正交胶合木楼板,其耐火机理均依靠木材在燃烧时表面产生炭化层来延阻木材燃烧的速度,利用耐火极限时间后的有效剩余截面来抵抗外荷载,实现构件的抗火设计。

根据《多高层木结构建筑技术标准》(GB/T 51226—2017)要求,本工程胶木柱耐火极限取2.5h,胶合木梁耐火极限取2.0h,梁柱抗火设计时不考虑防火漆耐火极限,只考虑木构件自身的耐火极限。依据《木结构设计标准》(GB 50005—2017)第十章规定,通过计算得出2.5h耐火极限的有效炭化层厚度def=96mm,2.0h耐火极限的有效炭化层厚度def=80mm。

经计算,本工程所采用主要构件考虑四面受火削弱后截面尺寸见表9。

表9 胶合木构件受火后截面尺寸

根据《木结构设计标准》(GB 50005—2017)中10.1.3条规定,残余构件的承载力设计值计算时,构件材料的强度和弹性模量采取平均值。胶合木材料强度和弹性模量调整后的结果见表10。

表10 抗火设计时胶合木强度调整值/MPa

考虑胶合木受火截面削弱后,采用COMB-8的荷载标准组合进行受火后的构件强度验算,验算结果均在安全范围内。

4.2 消防设计

本工程建筑总层数为8层,建筑总高度为34.8m。主体建筑按照一类高层公共建筑采取消防安全措施,局部采用混凝土结构与重型木结构组合建造,下部1～5层门诊医技区及6层架空层采用混凝土结构建造,7、8层科研办公部分采用木制品和木结构体系建造,两者之间采取耐火极限不低于1.5h混凝土楼板进行防火分隔。7、8层两层每层分为4个防火分区,每个防火分区建筑面积不大于1800m2,每个防火分区设有不少于2个安全出口;7、8层设6部疏散楼梯,疏散宽度、疏散距离均满足《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)要求,7层防火分区如图11所示。

图11 7层防火分区示意图

同时,本工程采取一系列附加消防措施,提升建筑防火储备。木柱、木梁、CLT楼板、屋面板等承重构件均涂刷防火涂料,燃烧性能达到难燃要求。通过抗火设计,木结构构件满足耐火极限梁柱(≥2h)、楼板(1.5h)要求。全楼设置了火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统(喷淋)、消火栓系统、应急照明系统、机械防排烟系统。排风机房,强弱电间等特殊位置加强防火构造措施,墙体采用轻钢龙骨外覆防火石膏板内填岩棉(耐火极限≥2h),并做防火吊顶,房间内外露的木梁木柱均外覆12mm厚防火石膏板处理。

5 BIM技术应用

全面引入了BIM技术,对项目建筑、结构、设备等全专业进行建模,利用BIM技术可视化、参数化的特点,解决木-混凝土结构混合建造中所面临的各类问题[10],并将BIM技术介入设计、生产、施工和管理的各个阶段,实现工程项目的全生命周期管理,建筑总体BIM模型见图12。

图12 工程BIM模型

利用BIM技术对木结构进行施工模拟,通过工厂预制加工、现场组装的建造模式,建造周期缩短,施工效率提高,施工成本减小。木-混凝土结构构件之间的连接都是通过定制的钢板连接件连接,通过BIM技术对关键节点进行深化设计,精准定位构件中预留孔洞的位置,保证后期加工安装的准确性。工程交底以图纸为主、三维模型为辅的模式进行,方便对施工工艺的全面理解,提高现场施工的准确性,BIM深化设计的关键节点如图13所示。

图13 BIM深化设计的关键节点

同时应用BIM技术对施工过程中的设备运输及安装路径进行模拟,从而找出最优运输路径,并展示各个阶段完整运输流程,提前对设备路径上的墙体预留进行分析,减少各方配合误差,提高安装效率,辅助现场方案决策。设备运输及安装路径模拟如图14所示。

图14 设备运输及安装路径模拟

在机电深化设计中,充分利用BIM技术进行管线综合,在基于满足设计功能的前提下,以整齐、简短的原则优化排布各专业管线,以最小的成本达到了美观实用的效果。

6 结语

江苏省康复医院在竖向和水平向均采用的木-混凝土混合结构形式,充分发挥了木材与混凝土材料的性能优势。本文从结构整体性能、CLT组合楼盖强度与舒适性、木结构防火设计与消防设计以及BIM技术的应用等方面进行阐述与分析,相关设计分析方法可为双碳战略下多高层装配式木结构建筑以及木-混凝土混合结构设计与建造提供借鉴。