河南省人民医院新建病房楼结构设计

第 43 卷 第 3 期 2013 年 2 月上 建 筑 结 构 Building Structure Vol． 43 No． 3 Feb． 2013 河南省人民医院新建病房楼结构设计 石 诚， 肖自强， 张 磊 (中国中元国际工程公司，北京 100089) ［摘要］ 河南省人民医院新建病房楼结构设计涉及新建工程超限高层专项审查、既有高层建筑抗震鉴定及贴建电 梯厅、为实现交通连接在新老高层建筑之间设置的高位架空连廊等内容。性能化设计中针对不同结构构件设定了 合理的性能目标，采用多个软件进行对比，并通过构造措施对薄弱部位予以加强。高位架空连廊选用滑板支 座实现弱连接，通过舒适度分析及竖向地震作用计算，保证其正常使用及承载的安全;风荷载及正常使用下的初始 限位在支座设计中得到实现，有一定的工程推广价值。 ［关键词］ 超限高层;性能目标;架空连廊;滑板支座;竖向地震;舒适度验算 中图分类号:TU246，TU318 文献标识码:A 文章编号:1002-848X(2013)03-0082-05 Structural design on the new ward building of Henan Provincial People's Hospital Shi Cheng，Xiao Ziqiang，Zhang Lei (China IPPR International Engineering Corporation，Beijing 100089，China) Abstract:The structural design on the new ward building of Henan Provincial People's Hospital is mainly to deal with an out-of-code high-rise building，the seismic evaluation of the existing building，the design of the elevator hall，the design of the elevated corridors between the existing building and the new building etc． Comparative analysis with multiple softwares and conceptual reinforcements were carried out to achieve seismic performance objectives． The sliding bearing was adopted as a weak link for the elevated corridors，the comfort checking and the vertical seismic analysis were done to guarantee the bearing capacity and the usage safety． In addition，the pre-set slide limit of the bearing was used under the wind load and the normal service condition，which could be a reference for similar projects． Keywords:out-of-code high-rise building; seismic performance objective;elevated corridor; sliding bearing;vertical earthquake;comfort checking 作者简介:石诚，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师，Email: shichengcheng@ 139． com。 1 工程概况 河南省人民医院新建病房楼位于郑州市河南省 人民医院院内，建筑功能主要为医技和病房等，总建 筑面积 11. 86 万 m2，总高度 90. 6m。地下 2 层，地 上 22 层，裙房 5 层，主体结构采用框架-剪力墙结构 体系，抗震设防烈度为 7 度(0. 15g) ，设防类别乙 类，场地类别Ⅲ类。由于手术室的洁净需要，地上裙 房和主楼之间不设防震缝，裙房在 3 层顶板(标高 13. 50m)及 5 层顶板(标高 21. 00m)分别有两次平 面退台收进，6 层及以上为病房主楼，呈“T”形。 已建病房楼于 2001 年竣工并投入使用，按照 《建筑抗震设计》(GBJ 11—89)设计，抗震设防 烈度 7 度(0. 1g) ，场地类别Ⅱ类，设计特征周期 0. 3s，结构高度为 81. 40m，结构形式为框支剪力墙 结构，基础为静压预制桩。地下 1 层，地上 21 层(含 上、下共两个设备层) ，下设备层为结构转换层(所 在结构高度为 18. 5m)。 新建病房楼南侧紧邻已建病房楼，新老病房楼 裙房部分建筑功能连通。为解决已建病房楼竖向交 通紧张的问题，在已建病房楼北侧接建电梯厅，与新 建病房楼裙房部分设防震缝分开。在新建病房楼 8，13，18 层设架空连廊与接建的电梯厅相连，形成 新老病房楼的交通联系。结构平面及空间布置如图 1，2 所示。 图 1 结构平面尺寸及竖向构件布置 为满足新建病房楼复杂的建筑造型和功能的需 要，使得结构平面和竖向存在扭转不规则、凸凹不规 则、主楼偏心布置及立面收进这 4 项超限，再加上高 第 43 卷 第 3 期 石 诚，等 ．河南省人民医院新建病房楼结构设计 位架空连廊的设置，故本工程是一个不规则的超限 复杂高层建筑［1］。 2 结构性能目标及超限应对措施 设定合理的结构性能目标、优化结构设计、对超 限项目采取必要的应对措施是结构设计的重点，降 低结构复杂程度、实现弱连接的连廊连接方式、兼顾 舒适度的要求是结构设计的难点。 本工程抗侧力构件的平面布置采取了优化设 计，如调整结构两个主轴方向的剪力墙数量，使两个 方向的抗侧刚度尽量接近;在结构平面较长的左右 两端布置 Y 向剪力墙并部分形成筒体，尽量控制扭 转效应，不考虑偶然偏心的扭转位移比不超过 1. 1; 偶然偏心下 X 向位移比不超过 1. 2，Y 向位移比不 超过 1. 4。在病房主楼平面转折部位设置 Y 向剪力 墙，加强凹进部位的结构布置。 剪力墙底部加强部位:1 ～ 3 层;剪力墙约束边 缘构件范围:－ 1 ～ 6 层。 地下 1 层及以上框架梁、柱和剪力墙的抗震等 级均为一级，部分重要构件的抗震等级提高为特一 级，详见本文 2. 2 节。主要竖向构件的截面尺寸及 材料强度见表 1。 主要竖向构件的截面尺寸及材料强度 表 1 楼层层高 混凝土等级 主楼柱 剪力墙 － 2 层:6. 6m － 2 ～ 3 层: 柱 C60，墙 C50 － 2，－ 1 层:1 100 × 1 100; 1 000 × 1 000;900 × 900; 800 × 800 － 1 层:6. 9m 4 ～ 7 层: 柱 C55，墙 C45 1 ～ 5 层:1 000 × 1 000;900 × 1 000;900 × 900;800 × 800 1 ～ 3 层:4. 5m 8 ～ 11 层: 柱 C50，墙 C45 6 ～ 10 层:900 × 1 000;800 × 1 000;800 × 900;800 × 800 4 层:3. 0m 12 ～ 15 层: 柱 C45，墙 C40 11 ～ 14 层:750 × 1 000;750 × 900;750 × 800;800 × 800 5 层:4. 5m 16 ～ 19 层: 柱 C40，墙 C35 15 ～ 18 层:700 × 800;700 × 700;800 × 800 6 ～ 22 层:3. 8m 20 ～ 22 层: 柱 C35，墙 C30 19 ～ 22 层:600 × 600;800 × 800 300; 250; 200 注:裙房柱均为 600 × 600。 结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防烈度、 设防类别、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后 损失和修复难易程度等各项因素选定。本工程抗震 设防烈度相对较高(7 度 0. 15g)［2］，属重点设防类 建筑，抗震措施按 8 度考虑，超限指标主要是结构 平、立面不规则造成的，结构高度不存在超限情 况［1］。根据以上分析，综合业主，不同地震水 准下结构预期抗震性能目标见表 2。 不同地震水准下结构的抗震性能目标 表 2 地震水准 性能目标 小震 结构完好，无损坏。 中震 关键构件无损坏，普通竖向构件轻微破坏，耗能构件 中度破坏。 大震 关键构件轻度损坏，部分竖向构件以及大部分耗能 构件进入屈服阶段，结构的最大层间位移角满足 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)［3］ 第 4. 6. 5 条1 /100的要求。 2. 1 结构性能目标及实现中的问题 根据设定的抗震性能目标，结合该项目超限高 层抗震专项审查专家组意见，设计最终确定的具体 到结构构件的性能目标为:剪力墙底部加强部位抗 剪按中震弹性设计，抗弯按中震不屈服设计;框架柱 按中震弹性设计。另外，超限审查专家组还提出了 按带裙房和不带裙房两种模型做包络设计的要求。 计算结果表明:仅主楼部分框架梁承载力受包络设 计控制，其他构件的设计均根据性能目标要求确定。 分析结果表明:框架柱的中震弹性设计与小震 的计算结果基本一致，即大部分框架柱为构造配筋。 其原因是作为第一道防线的剪力墙承担了大部分剪 力，作为第二道防线的框架柱即使在较大的水平力 (小震的 2. 8 倍)作用下仍为构造配筋。图 3 列出 小震作用下，框架柱承受倾覆力矩的百分比。 图 2 整体空间模型及 架空连廊标高 图 3 小震下框架柱承受 倾覆弯矩百分比 中震下结构构件的设防目标中，仅剪力墙及框 架柱等竖向构件保持弹性或不屈服，此时允许框架 梁、剪力墙连梁等耗能构件进入屈服阶段，结构整体 并非完全弹性。采取的方法为:先用等效线性化的 设计方法，对底部加强部位和关键部位的竖向构件 做中震弹性或中震不屈服的设计，再通过弹塑性分 析校核这些竖向构件是否能够达到要求。本工程等 效线性化调整参数包括:适当考虑结构阻尼比增加 到 6%，连梁刚度折减取 0. 4，周期折减系数取 0. 9 等。考虑部分结构构件进入非线性的等效线性设计 方法和弹塑性分析复核验算方法是进行结构性能化 设计所必须的两个步骤，如果局部构件弹塑性分析 38 建 筑 结 构 2013 年 复核不能达到性能目标，则需要调整结构设计，再次 复核。 剪力墙底部加强部位的抗弯按中震不屈服设 计，结果为暗柱配筋比小震弹性设计明显增大，特别 是在主楼东西两侧，平面收进后，高层部分 Y 向只 剩两跨，暗柱中产生较大的拉应力，需设置钢骨混凝 土柱才能满足性能目标的要求。剪力墙中震抗剪弹 性的设计，由于小震下特一级构件计算时，剪力通过 “强剪”系数［2］已有较大放大，中震等效线性化设计 时，适当调整墙厚及增大水平分布筋配筋即可满足 要求。 2. 2 超限应对措施 为保证结构整体性能及重要部位计算结果的安 全性和可靠性，采用 SATWE 和 ETABS 两个软件进 行结构分析，并通过结果的相互校核确保设计的可 靠性，具体应对措施包括: (1)通过调整结构在层高突变时的竖向构件尺 寸收进，控制本层与上一层侧向刚度及承载能力之 比，避免出现结构薄弱层和软弱层。 (2)控制轴压比，提高延性。病房主楼在 5 层 顶部存在较大结构收进，为提高主楼收进部分上下 层的抗震能力，控制收进后的上一层及下一层的框 架柱轴压比不超过 0. 7(规范限值 0. 75)。 (3)提高部分框架梁、柱及剪力墙的抗震等级。 将收进后病房主楼的外周边框架柱，病房主楼剪力 墙(图 1)在裙房屋面(5 层顶板)上下各一层高度范 围内的抗震等级提高为特一级;将裙房屋面与上述 框架柱相连的框架梁的抗震等级提高为特一级，以 保证不在收进部位底部先出现破坏。 (4)与架空连廊相连的框架柱，地下 1 层 ～ 18 层抗震等级均提高至特一级。框架柱配筋满足中震 弹性设计。 (5)加强部分楼板水平刚度:裙房屋面板、病房 主楼正中间核心筒(开洞较多)周边楼板板厚取 150mm，双层双向配筋。 (6)补充罕遇地震下结构的分析计算:根据变 形验算结果，采取措施避免在罕遇地震下出现结构 薄弱层;根据塑性铰出现部位及出铰顺序的分析结 果，加强结构关键部位的构造措施。 3 已建病房楼新增电梯厅设计 3. 1 结构 新增电梯厅从地面和裙房顶起算的建筑高度分 别为 77. 9m 和 63. 2m，相应的高宽比分别为 10. 7 和 8. 7。由于电梯厅需要在多个方向与新老楼交通连 通，无法形成刚度较大的筒体，故不能与已建病房楼 脱开单独建设，所以采用接建的方式增加电梯及前 室。新建电梯厅为钢筋混凝土框架结构，观光电梯 为钢结构，平面布置如图 4 所示。 图 4 新建电梯厅平面布置示意 3. 2 设计原则 由于接建部分位于已建病房楼中部且与刚度较 大的剪力墙中筒相连，平面布置相对有利;体形简单 且上下统一，相对已建病房楼其质量和刚度都很小。 经计算分析，新增部分对已建病房楼性能的影响很 小。再考虑到新建病房楼与电梯厅之间还有 3 层架 空连廊相连，改造设计工作及结构复核工作确定如 下设计原则:1)多遇地震下已建病房楼结构承载力 及变形复核计算采用《建筑抗震设计规范》(GBJ 11—89) ;2)接建部分的结构构件的抗震等级为特 一级，承载力设计采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001) (2008 年版)［2］;3)罕遇地震下结构 的变形计算采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011— 2001) (2008 年版)。以上设计原则已通过超限高层 抗震专项审查并在设计中得以实施。 4 架空连廊设计 钢结构架空连廊跨度 16. 2m，宽度 4. 25m，高度 见图 2。为减小连廊对两侧结构的影响，本工程采 用弱连接:一端固定(接建电梯一侧) ，一端滑动(新 病房楼一侧)。计算结果表明:连廊对两侧主体结 构的影响很小，两侧主体结构可分开单独设计。 4. 1 连廊模型模拟及罕遇地震下支座位移确定 为确定连廊支座滑动端在罕遇地震下的最大位 移，采用以下两种方法进行计算。 (1)方法 1:以罕遇地震下楼层弹塑性位移与弹 性位移的比值为依据，考虑结构构件进入弹塑性状 态后对位移的影响，将罕遇地震下的支座弹性位移 ΔD 加以修正。为确定连廊支座滑动端在罕遇地震 下的最大位移，采用 3 种模型通过软件进行分析，见 表 3。 模型 3 采用 ETABS 软件创建，连接单元采用 Linear 单元，X，Y，Z 方向均不考虑非线性，Z 方向有 48 第 43 卷 第 3 期 石 诚，等 ．河南省人民医院新建病房楼结构设计 效刚度赋予极大值，X，Y 方向有效刚度赋予极小值， 以模拟双向滑板支座。连接单元与新楼一侧采用外 设刚臂的方式形成对竖向连接的模拟。支座两个水 平方向的变位通过连接单元两端位移点的差值获 得，具体布置如图 5 所示。 确定支座位移采用的计算模型比较 表 3 模型 计算内容 计算软件 计算目的 模型 1 新楼，弹 性 时 程 分 析 (罕遇地震) SATWE ETABS 校核 得到架设连梁处楼层最大 水平位移(双向)D1 模型 2 新楼，弹塑性动力时程 分析(罕遇地震) EPDA PUSH 校核 得到架设连梁处楼层最大 水平位移(双向)D2 模型 3 新老楼合并(含连廊) ， 弹性时程分析(罕遇地 震) ETABS 得到连廊支座位移(结构 两侧相对位移)在时程上 的最大值 ΔD 图 5 连廊支座模型及位移变形点示意 统计结果表明:罕遇地震下弹塑性位移大于弹 性位移，取 7 条地震波(双频段选波方法选取)计算 结果的平均值 P = AVE(D2 /D1) ，然后对 ΔD 加以修 正，修正后的支座位移见表 4。 此弹塑性位移与弹性位移的比值仅为新楼在 7 条波计算下的统计结果，对于老楼及合并模型的弹 塑性变形状态未必完全适用，本文列出仅供与方法 2 对比参考。 (2)方法 2:对新建及已建病房楼，分别计算多 遇地震下的楼层位移最大值，其绝对值相加后乘以 6(罕遇地震与多遇地震的地震力放大倍数) ，如表 5 所示。 方法 1 设计确定的支座位移 表 4 楼层 X 向 Y 向 P x ΔD x /mm P xΔD x /mm P y ΔD y /mm P yΔD y /mm 19 14 9 1. 15 1. 15 1. 15 346 230. 7 108 397. 9 265. 3 124. 2 1. 40 1. 40 1. 40 368 212 105 515. 2 296. 8 147. 0 方法 2 设计确定的支座位移 /mm 表 5 楼 层 X 向 Y 向 新楼 Δ1x 老楼 Δ2x 6(Δ1x + Δ2x) 新楼 Δ1y 老楼 Δ2y 6(Δ1y + Δ2y) 19 52. 47 30. 65 498. 72 48. 99 32. 54 489. 18 14 36. 86 20. 37 343. 38 34. 63 20. 85 332. 88 9 21. 70 11. 33 198. 18 20. 21 11. 37 189. 48 根据以上分析，确定本工程中从上到下 3 处连 廊滑动端支座在罕遇地震下的双向水平位移限值分 别为 500，350，200mm，以此作为支座选型的依据。 4. 2 连廊支座节点设计 在滑动端选择滑板支座，连廊设计为“抽屉”的 形式，即钢连廊支座插入新建主体结构，钢连廊与其 周边主体结构之间留设足够的水平变位空间，以满 足罕遇地震作用下的变形要求，18 层连廊与新建病 房楼一侧连接做法如图 6 所示。 图 6 架空连廊支座布置 双向滑板支座滑动方式如图 7 所示。先设定连 廊滑动端支座简支不动，可计算得到此支撑条件下 的风荷载及水平地震作用时的支座水平反力，取风 荷载下支座水平反力为设置初始限位力(即支座起 滑力) ，由于起滑力远小于小震下的支座反力，可以 满足连廊支座在风荷载及正常使用下初始支座限 位，同时保证地震作用的下自由滑动。初始限位力 的实现原理如图 8 所示。 图 7 滑板支座工作示意 滑板支座变形量达到极限位移后，支座具备一 定的水平抗拉能力。本工程中连廊滑动端(下支 座)伸入结构尺寸为 1 375mm(图 6) ，可保证超过极 58 建 筑 结 构 2013 年 图 8 初始限位力实现原理 限位移，支座一旦失效后，连廊不至掉落。 4. 3 人行激励下舒适度验算 单独取连廊模型进行模态分析，调整桁架杆件 尺寸及上下混凝土楼板的厚度，最终连廊结构的竖 向自振周期 T = 0. 20s，fn = 5. 0Hz，形态如图 9 所示， 满足文献［4］中规定的人行激励下舒适度的要求。 图 9 连廊竖向振型 4. 4 竖向地震作用分析 采用表 3 的模型 3，选用多条竖向地震波进行 动力时程分析，可以得到表 6 中连廊支座处轴力绝 对值的较大值 N1，将其与重力荷载代表值下的支座 轴力 N2进行比较，结果见表 6。 竖向地震下支座轴力比值 表 6 楼 层 连廊支座处轴力 Nmin Nmax N1 = max［ABS(Nmin，Nmax) ］ N2 N1 N2 /% 19 18 14 13 9 8 － 12. 19 － 9. 04 － 9. 94 － 8. 39 － 6. 38 － 6. 10 12. 02 9. 80 9. 84 8. 04 5. 76 7. 35 12. 19 9. 80 9. 94 8. 39 6. 38 7. 35 105 95 105 95 105 95 11. 6 10. 3 9. 5 8. 8 6. 1 7. 7 注:表中力的单位均为 N。 分析可知，竖向地震作用下连廊支座轴力 值基本上可以取重力荷载代表值的 10%，连廊位置 越高竖向地震作用越大。由于大震和小震之间的比 例关系为 310 /55 = 5. 64，大震下支座最大拉力约为 重力荷载代表值的 56. 4%，因此支座不会出现受拉 问题。 为保证连廊构件在大震下处于弹性状态，将连 廊结构自重系数设为 1. 6(放大 60%) ，进行钢连廊 的构件设计。 5 结论 (1)本工程为不规则的超限复杂高层建筑，设 定合理的性能目标后，采取考虑部分结构构件进入 非线性的等效线性在设计方法和弹塑性分析复核验 算方法是进行结构性能化设计所必须的两个步骤。 做好结构分析的同时，针对超限指标采取加强措施， 是提高结构应对自身不规则性的必要补充。 (2)已建病房楼新增电梯厅的接建方案，对已 建病房楼性能的影响很小。在新增部分与既有结构 可靠连接的同时，又保证了已建病房楼的日常使用 功能不受影响。 (3)新老高层建筑之间设置高位架空连廊，选 用滑板支座实现弱连接。分析确定了支座滑动位移 及限制起滑力，并辅以舒适度分析及竖向地震作用 计算，可保证架空连廊在平时及地震作用下的正常 工作。 参 考 文 献 ［1］ 建质［2006］220 号 ．超限高层建筑工程抗震设防专项 审查技术要点［S］． 2006． ［2］ GB 50011—2001 建筑抗震设计规范［S］． 2008 年版 ． 北京:中国建筑工业出版社，2008． ［3］ JGJ 3—2002 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． 北 京:中国建筑工业出版社，2002． ［4］ 徐培福，傅学怡，王翠坤，等 ． 复杂高层建筑结构设计 ［M］． 北京:中国建筑工业出版社，2005． (上接第 76 页) 图 15 钢筋混凝土梁与钢骨柱连接节点 分梁纵筋穿孔拉通的节点形式，同时允许部分钢筋 在满足水平段锚固长度的条件下，遇柱钢骨往下弯 折锚固，主要节点见图 15。在施工中应保证柱主筋 上下贯通，遇钢牛腿时应预留穿筋孔，钢牛腿采用上 下分离式，方便柱箍筋施工，同时节省用钢量。 参 考 文 献 ［1］ 王啸，张震，陈苹艳，等 ． 郑州华润万象城购物中心(一 期)结构设计［J］． 建筑结构，2013，43(3) :77-81． ［2］ 繆志伟，马千里，叶列平，等 ． Pushover 方法的准确性和 适用性研究［J］． 工程抗震与加固改造，2008，30(1) : 55-59． 68