上海市第一人民醫(yī)院新建醫(yī)療綜合樓結(jié)構(gòu)設(shè)計
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張 曄
（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海200092）
[摘要] 上海市第一人民醫(yī)院新建醫(yī)療綜合樓結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、平面尺寸突變、抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、斜柱轉(zhuǎn)換等超限情況。介紹了結(jié)構(gòu)的工程特點和針對結(jié)構(gòu)超限情況采取的相應(yīng)抗震措施，并對結(jié)構(gòu)進行了彈性分析、時程分析、樓板應(yīng)力分析和靜力彈塑性分析，結(jié)果表明各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。最后歸納總結(jié)了醫(yī)療建筑的特點及其對結(jié)構(gòu)設(shè)計的特殊要求。
1 工程概況
上海市第一人民醫(yī)院新建醫(yī)療綜合樓位于上海市虹口區(qū)，總建筑面積為5萬m2。主樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地上15層，結(jié)構(gòu)高度為61. 6m，為A級高度高層建筑；裙樓采用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，地上5層，結(jié)構(gòu)高度為23m。地上建筑主要功能為門診、急診、手術(shù)室、病房等醫(yī)療功能。地下室3層，局部設(shè)置人防，埋深為14. 9m，地下建筑主要功能是停車庫、設(shè)備用房、大型醫(yī)療設(shè)備房、庫房等輔助用房。
新建醫(yī)療綜合樓在3層和4層設(shè)置跨過武進路與原第一人民醫(yī)院醫(yī)技樓、病房樓相連的空中連廊。1～3層型鋼混凝土柱截面尺寸為1 100×1 100（內(nèi)置2根焊接H型鋼700 x450 x25 x35，十字交叉布置），鋼筋混凝土柱截面尺寸為800×900，700×700，剪力墻厚度均為400mm，混凝土強度等級均為C60；4，5層型鋼混凝土柱截面尺寸為900×900（內(nèi)置2根焊接H型鋼450×200 x18×24，十字交叉布置），鋼筋混凝土柱截面尺寸為800×900，700×700，剪力墻厚度均為350mm，混凝土強度等級均為C50：6～9層鋼筋混凝土柱截面尺寸為800×900，700×800，剪力墻厚度均為300mm，混凝土強度等級均為C40；10~15層鋼筋混凝土柱截面尺寸為700×800，700×700，剪力墻厚度均為300mm，混凝土強度等級均為C30。建筑效果圖見圖1。
本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0. lOg，建筑場地類別為上海Ⅳ類，設(shè)計特征周期為0. 90s。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50223-2008)，本工程抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），地震作用計算按抗震設(shè)防烈度7度考慮，抗震措施按設(shè)防烈度提高一度即8度考慮。上部結(jié)構(gòu)的框架和剪力墻的抗震等級均為一級。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級�；撅L(fēng)壓取0. 55 kN／m2，由于本工程主樓結(jié)構(gòu)高度超過60m，因此在主樓承載力設(shè)計時風(fēng)荷載按基本風(fēng)壓的1.1倍取值；基本雪壓取0.20kN/m2，地面粗糙度為C類。
2 基礎(chǔ)設(shè)計
根據(jù)勘察顯示，擬建場地75. Om深度范圍內(nèi)地層均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，場地深部土層相對較穩(wěn)定。擬建場地?zé)o液化土層，為不液化場地。場地穩(wěn)定水位為吳淞高程1. 22~2.27m，抗浮設(shè)計時按地下高水位埋深0. 5m考慮。
本工程地下3層，埋深14.9m，且西面緊鄰上海
市優(yōu)秀歷史保護建筑——虹口區(qū)消防站。為減小基坑開挖對保護建筑的影響，本工程基坑采用逆作法�；A(chǔ)設(shè)計等級為甲級，采用樁筏基礎(chǔ)。樁型采用鉆孔灌注樁以減小擠土效應(yīng)對周邊老建筑的影響，主樓采用直徑850mm、樁長48m、單樁抗壓承載力為3 300kN的鉆孔灌注樁，裙樓采用直徑700mm、樁長44m、單樁抗壓承載力為2 390kN、單樁抗拔承載力為1 800kN的鉆孔灌注樁，樁尖持力層均為⑧。層灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂。在框架柱位置均布置直徑850mm、樁長48m的鉆孔灌注樁，兼作逆作法立柱樁，承載力和配筋同時滿足工程樁和立柱樁的要求。基礎(chǔ)筏板厚度為1 000mm，局部樓電梯間剪力墻布置集中處筏板厚度為2 500mm。由于地下室平面尺寸超長，設(shè)計中采用設(shè)置后澆帶、加大地下室底板厚度、加強地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋、加強混凝土養(yǎng)護保溫等措施消除溫度及收縮應(yīng)力產(chǎn)生的不利影響。
地下室圍護墻體采用復(fù)合型兩墻合一的做法，即利用基坑圍護的地下連續(xù)墻作為地下室外墻，依次在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)做水泥砂漿找平層、膨潤土防水毯、防水砂漿抹面，而后在內(nèi)側(cè)做250mm厚防水混凝土內(nèi)襯墻，實現(xiàn)地下連續(xù)墻擋土、止水，防水層和內(nèi)襯墻防水、防滲的目的。此做法的主要優(yōu)點有：1)節(jié)省了地下室外墻的工作量，不僅降低了工程造價，而且縮短了施工周期；2）墻體剛度大、整體性好，能承受較大的水平向水土側(cè)壓力，因此結(jié)構(gòu)和地基變形都較��；3）采取了多道防水、防滲措施，因此防水、抗?jié)B性能更可靠。
3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算分析
3.1結(jié)構(gòu)超限情況及抗震措施
本項目由上�？拐疝k組織專家進行超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查會，新建醫(yī)療綜合樓超限和不規(guī)則情況如下：
(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。本工程由于建筑功能和造型的要求，樓電梯間剪力墻偏一側(cè)布置，并非對稱布置，且東南處由于豎向構(gòu)件布置不規(guī)則剛度差異較大，部分樓層在考慮偶然偏心地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，且偏心率大于0. 15。
(2)尺寸突變。新建醫(yī)療綜合樓在6層標(biāo)高處平面收進尺寸大于相鄰下一層的25 010（圖2，3）。
(3)豎向構(gòu)件不連續(xù)。新建醫(yī)療綜合樓東南處7根框架柱豎向不連續(xù)，在3層樓面處形成轉(zhuǎn)換，造成3層樓板布置與2層差異較大（圖4）。
(4)其他不規(guī)則。東南處1~2層的穿層柱采用交叉斜柱形式，分別置于桁架斜桿的節(jié)點處與3層框架轉(zhuǎn)換柱底（圖4），形成斜柱轉(zhuǎn)換。
針對以上超限情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計時采取了以下針對性措施：
(1)針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計時通過結(jié)構(gòu)柱、墻的合理布置，各樓層的最大位移比大部分小于1.2，在偶然偏心下部分樓層大于1.2，且均小于1. 4。
(2)針對尺寸突變，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用了如下加強措施：1）控制立面收進處上下層的抗剪承載力之比不小于0. 8;2）對立面收進部位的樓板應(yīng)力進行分析，控制中震下大部分樓板不開裂，應(yīng)力較大的樓板雖開裂但樓板鋼筋不屈服，即樓板鋼筋應(yīng)力小于鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值；3）加強立面收進部位的樓板厚度至150mm，雙層雙向配筋，并控制樓板配筋率不小于0. 25 010；4）加強收進部位以上一層和以下兩層周邊豎向構(gòu)件的配筋構(gòu)造措施，適當(dāng)增大柱配筋率，箍筋全長加密，箍筋形式采取井字復(fù)合箍筋，箍筋直徑不小于12mm。
(3)針對豎向不連續(xù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對該層樓板特別進行加強，板厚增加至160mm，采用雙層雙向并適當(dāng)加大配筋。設(shè)防目標(biāo)為中震下大部分樓板不開裂（即板內(nèi)主拉應(yīng)力< ftk，，。為混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值），控制應(yīng)力較大的樓板雖開裂但樓板鋼筋不屈服（即樓板鋼筋應(yīng)力小于鋼筋強度標(biāo)準(zhǔn)值）。對穿層柱的計算長度系數(shù)進行復(fù)核，并采取措施提高穿層柱的延性，如適當(dāng)增大柱配筋，箍筋全長加密等，穿層柱抗震等級提高為特一級。
(4)交叉斜柱是本結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，其性能目標(biāo)為中震不屈服，正截面承載力滿足．sge+ SEhk+0. 4SEvk≤Rk，受剪承載力滿足Sge+0.4SEhk+SEvk≤Rk（Sck為重力荷載代表值的效應(yīng)，SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件內(nèi)力，SEvk為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件內(nèi)力，Rk為截面承載力標(biāo)準(zhǔn)值）。
此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計時還采取了以下有利于提高結(jié)構(gòu)抗震性能的措施：
(1)采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。采用砂加氣混凝土砌塊及輕鋼龍骨石膏板等輕質(zhì)墻體材料。
(2)提高抗震等級。本工程東南處1～2層大堂的穿層斜柱抗震等級提高為特一級。
(3)在施工圖設(shè)計時，在各樓層標(biāo)高處的混凝土剪力墻內(nèi)設(shè)置暗梁，以增加剪力墻的整體性和抗側(cè)剛度。
(4)在施工圖設(shè)計時，按規(guī)范采取較為嚴格的構(gòu)造措施，包括嚴格控制柱、墻軸壓比，保證其配箍率，并保證樓板厚度和配筋率等。上部結(jié)構(gòu)框架柱軸壓比嚴格控制在0. 65以下，并對個別接近軸壓比限值的框架柱采用井字復(fù)合箍，全長加密箍筋；對軸壓比較大的框架柱，適當(dāng)增大框架柱的配筋率，并控制其最大配筋率在4%以下。剪力墻的軸壓比控制在0.5以下，并控制剪力墻約束邊緣構(gòu)件的最小配筋率不小于1. 2%，剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率不小于0. 25%。
3.2計算分析
(1)主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的彈性方法進行計算分析，分別采用SATWE，PMSAP，ETABS軟件建立了力學(xué)模型并進行計算分析，計算結(jié)果見表1。從表1可以看出，三個軟件計算的主要指標(biāo)的數(shù)值基本吻合，且整體計算結(jié)果均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
(2)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)（簡稱抗規(guī)）的規(guī)定，本工程需按抗規(guī)進行小震時程分析，作為對小震振型分解反應(yīng)譜法( CQC法)的補充計算。選用了7條地震波，分別為上�！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)程》( DGJ 08-9-2013)中的SHW1．SHW3，SHW4地震波以及由中國建筑科學(xué)研究院提供的MEX007，US256，US335，US1215地震波。結(jié)構(gòu)基底剪力和樓層最大層間位移角見表2。由表2可以看出，所選的7條地震波計算得到的基底剪力均大于CQC法計算結(jié)果的65%，7條地震波計算得到的基底剪力平均值大于CQC法計算結(jié)果的80%，說明所選地震波符合抗規(guī)要求。7條地震波計算得到的最大層間位移角的平均值滿足抗規(guī)要求，且略小于CQC法計算的最大層間位移角。
(3)本工程東南角3層轉(zhuǎn)換處樓板布置與2層的差異較大，將該區(qū)域樓板定義為彈性板，采用PMSAP軟件對其進行了小震和中震下應(yīng)力計算。計算結(jié)果顯示，2，3層樓板小震下最大應(yīng)力分別為1.7，1. 9MPa，中震下大部分樓板應(yīng)力均約為1. 5MPa，均小于C30混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2. OIMPa。2，3層樓板中震下局部樓板應(yīng)力較大處最大主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值分別為3.6，3. 7MPa，滿足σ1k，中震≤fykA。/hs（σ1k，中震為中震下樓板主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，fy為鋼筋屈服強度標(biāo)準(zhǔn)值，As為樓板鋼筋的截面面積，h為樓板厚度，s為樓板鋼筋的配筋間距），即局部洞邊樓板不屈服。對于2，3層樓板，板厚160mm，中震下局部樓板應(yīng)力較大處最大主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為3. 7MPa，采用12@150雙層雙向配筋，fykA8/hs為3.77MPa，大于σ1k，中震，可滿足小震下樓板不開裂，中震下樓板大部分不開裂，局部洞邊樓板不屈服的性能目標(biāo)。
(4)采用PKPM系列的靜力彈塑性分析軟件PUSH驗算了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的樓層位移。大震作用下結(jié)構(gòu)薄弱部位的最大彈塑性層間位移角為1/129（X向），1/176（y向），小于規(guī)范限值1/100。
在推覆分析的過程中，從第一個荷載步到結(jié)構(gòu)達到性能點的荷載步，結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸依次開展。首先是部分連梁進入塑性，然后部分框架梁端出現(xiàn)塑性鉸，之后核心筒底部剪力墻開始進入塑性發(fā)展階段，框架柱沒有出現(xiàn)塑性。在性能點荷載步時，剪力墻底部區(qū)域塑性發(fā)展較多，結(jié)構(gòu)性能點塑性鉸開展情況見圖5。在施工圖階段將對底部出現(xiàn)塑性鉸的墻體進行加強。
在大震性能點步驟下，兩個方向的彈塑性層間位移角均小于規(guī)范要求限值1/100，說明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度儲備和內(nèi)力重分布能力，不至于進入臨界倒塌極限狀態(tài)。因此，結(jié)構(gòu)整體抗震性能滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。
4 醫(yī)療建筑設(shè)計特點
(1)醫(yī)療建筑屬于抗震防災(zāi)建筑，具有比一般民用建筑更為嚴格的抗震要求。因此，醫(yī)療建筑的抗震設(shè)防分類根據(jù)其規(guī)模常被劃分為乙類，其抗震措施應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求。
(2)醫(yī)療建筑的建筑設(shè)計為了滿足其特殊的功能及設(shè)備要求，常會遇到剛度突變、塔樓偏置等不利因素，且醫(yī)療建筑的上下層隔墻布置非常不規(guī)則，常常是上部最合適部位設(shè)置的剪力墻到了下部無法落地。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要盡早參與建筑方案設(shè)計，在滿足建筑功能的前提下合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，改善其抗震性能。
(3)醫(yī)療設(shè)備眾多，設(shè)備荷載較大。結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足設(shè)備廠商提供荷載的同時還需考慮一定的余量，以應(yīng)對醫(yī)療設(shè)備的更新。在考慮設(shè)備荷載時，不僅要考慮設(shè)備用房的荷載，還需考慮設(shè)備的運輸和裝配。必要時，在墻或樓板處均需預(yù)留吊裝口，且在設(shè)備運輸行進路線上考慮足夠荷載。
(4)設(shè)備用房的特殊要求導(dǎo)致相鄰樓面高低差較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮一定的構(gòu)造措施以保證水平力的有效傳遞。
(5)有些醫(yī)療設(shè)備能產(chǎn)生高能粒子、強輻射，如直線加速器、CT和MRI等醫(yī)療用房均需做防護處理。有些防護處理措施為在樓板、隔墻處加設(shè)鉛板，有些則需要加厚混凝土墻體及樓板的厚度，甚至對相關(guān)區(qū)域結(jié)構(gòu)施工縫的設(shè)置也有特殊要求，例如，施工縫做成凸字形等。結(jié)構(gòu)設(shè)計需在有防護處理要求的房間預(yù)留足夠荷載，并考慮混凝土墻體剛度對整體結(jié)構(gòu)的影響。
5 結(jié)語
本文主要對上海市第一人民醫(yī)院新建醫(yī)療綜合樓超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計（本項目于2013年10月通過上海市抗震辦組織的超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查）以及醫(yī)療建筑不同于其他民用建筑的設(shè)計特點進行了介紹。論述了本項目的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置、超限情況和抗震措施、結(jié)構(gòu)彈性分析、時程分析、樓板應(yīng)力分析和靜力彈塑性分析。計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計均滿足規(guī)范要求。醫(yī)療建筑較之其他民用建筑具有功能多、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、抗震要求更嚴格的特點。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要了解建筑功能及設(shè)備要求，而且要分析建筑及各專業(yè)對結(jié)構(gòu)帶來的影響，緊密配合各個相關(guān)專業(yè)，最終建成滿足各方要求且能造福公眾的醫(yī)療建筑。
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