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学术活动

蚌埠医学院第二附属医院新院结构设计

来源:www.sdjzsj5y.com 关键字: 医院设计 医院建筑设计 医院规划设计 绿色医院设计 发布时间:2017-03-13

孙明,郑林进

山东省建筑设计研究院第五分院,济南250001

摘要安徽蚌埠医学院第二附属医院新建院区使用功能包括病房楼、门诊医技楼等,结合医院结构设计,通过分析计算大型医院结构设计中常见的问题,总结了解决该类问题的方法和思路,为解决该类实际工程提供参考。文章基于平面复杂的大型医院建筑的结构优化方案设计,通过几种结构布置方式的计算、比较分析,详细研究了顶层报告厅抽柱形成的大跨所采用的最优布置方式,方案采用空腹楼盖+钢筋混凝土暗梁的结构布置方式,既能满足建筑对于净高的要求,又能保证其在正常使用及承载情况下的安全性要求。对于静定长悬臂梁的结构安全设计,采用拉杆的处理方式,并相应采取一系列构造加强措施,能够确保其具有足够的承载力。此外,文章对于如何解决病房楼超长、门诊医技楼平面不规则等问题也进行了分析,可供设计人员参考。

关键词结构选型;单跨框架;竖向地震;结构超长;空腹楼盖

中图分类号TU318.82   文献标识码: A

 

Structural Design on the New Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College

Sun Ming, Zheng Linjin

The 5th Branch of Shandong Provincial Architectural DesignJinan 250001China)

Abstract: The New Second Affiliated Hospital of Bengbu Medical College buildings compose of the ward, outpatient medical technology building, etc. In combination with the hospital structural design, by analyzing and calculating common problems of large hospitals, the article summed up methods and ideas to solve the kind of problem and provided reference to solve practical engineering. Basing on the structural design of large and complicated structures, the common problems and the solutions in the design of large-scale structure of hospital are analyzed. By detail calculation and analysis of different structure projects, the optimal structure for the large span of the top floor lecture hall is designed. In the optimal project, the hollow floor combined with the reinforced concrete concealed-beams structure is selected to satisfy the requirement of high clear height and safety performance,. As for safety design of the statically determinate long cantilever beam, davit and corresponding strengthen measures are taken to make sure the high bearing capacity. Besides, other design problems are also analyzed in this paper, including super-long of ward, irregular plane of outpatient and medical technology building, etc, which can offer reference for similar structure design.

Keywords: architecture selection; single-span frame; vertical earthquake; super-long structure; hollow floor

1 工程概况

安徽蚌埠医学院第二附属医院新建院区位于蚌埠市北部的淮上区,南邻龙华路,东临昌平街,西侧和北侧为规划道路,地势整体相对平整。第二附属医院是集医疗、科研、教学、预防保健、康复为一体的三级甲等综合性教学医院。结构单元划分如图2所示,各单元通过防震缝分割成为独立结构。使用功能包含门急诊、医技、住院部;康体保健、科研教学等,总建筑面积21.26, 总高度81.600 m。病房楼地下一层、地上20层;门诊医技楼地下一层、地上5层,总高度为22.750 m,结构效果图如图1所示。

该工程结构体系为框架—剪力墙结构。抗震设防烈度为7度,根据抗震规范[1],设计基本地震加速度值为0.10 g,设计地震分组为第一组,工程特征周期0.45 s。抗震设防类别为重点设防类(乙类),根据《关于学校、医院等人员密集场所建设工程抗震设防要求确定原则的通知》(中震防发[2009]49号),对于重点设防类(乙类),确定抗震设防烈度时,应提高地震动峰值加速度,由0.10 g提高到0.15 g

    工程地震安全性评价报告给出本场地的反应谱地震影响系数最大值为0.12,特征周期0.45 s。因此小震计算时,地震影响系数最大值以地震安全性评价报告为准,因为其已经对反应谱做了适当放大,就不再按照地震局的文件再对地震动峰值加速度进行提高;中震及大震计算时,地震影响系数最大值均参照现行规范执行。

抗震措施按8度抗震设防的要求进行设计;抗震等级:病房楼框架一级,剪力墙一级;门诊医技楼框架三级,剪力墙二级;地基基础设计等级为甲级,建筑场地类别为Ⅲ类。

2 地基基础

2.1地质条件

拟建场地位于龙华路以北,地形整体较平坦,地面高程在17.5418.06 m之间,地下水位埋深为自然地面1.75~2.08 m之间。抗浮设计水位为地坪以下0.5 m。场区环境类型属于II类,对地下水的腐蚀性进行了评价:判定本场地地下水和土对混凝土结构具微腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。

2.2基础设计

根据本工程岩土工程勘察报告建议,对其地质情况仔细分析并通过基础变形计算,病房楼为高层建筑,单层地下室。场区地基土承载力特征值为80 KPa,采用天然地基不满足承载力要求和基础的稳定性,故采用桩筏基础。桩基采用预应力混凝土管桩基础,筏板普遍厚1800 mm。门急诊医技楼为多层建筑,基础形式为预应力混凝土管桩基础加防水底板形式,病房楼及门诊医技楼均选用国标图集《预应力混凝土管桩》10G409中型号为PHC-500-AB-125的桩型。

本工程地下水位较高,抗浮最不利的部位为仅有一层的病房楼大厅以及门诊医技楼地下一层车库处,按照抗浮的三阶段设计,即常年水位不裂、设防水位不坏、极限水位不浮[2]。经计算选择抗拔桩PHC-500-AB-125-15,有效桩长15 m,单节桩,不允许接桩。

基础采用中国建筑科学研究院编制的《基础计算机辅助设计-JCCAD》(2010.06.30版)进行桩筏基础设计,控制基础沉降量,特别是不均匀沉降。

3 上部结构

3.1楼盖体系

病房楼由于使用要求,采用现浇混凝土梁板体系。混凝土强度等级由C45递减为C40C35,典型框架梁截面为400×700,次梁截面为300×600;地下室顶板板厚180 mm,整体性及抗震性能优良。标准层楼板厚度一般为120 mm,楼板开大洞周边板厚为150 mm

门诊医技楼柱网规整,均为8.1 m×8.1 m,同时考虑到对层高限制的要求,门诊医技楼采用宽扁梁加现浇混凝土空腹密肋楼盖,这种楼盖具有刚度大,自重轻,抗震性能好等优点,比较适用于像门诊医技楼这种建筑功能复杂、隔墙多且上下布置不对齐的公共建筑。在现浇混凝土楼盖中采用750 mm×750 mm×200 mm750 mm×500 mm×200 mm以及750 mm×750 mm×650 mm三种形状的方箱,施工时将方箱按照一定的顺序埋在现浇混凝土楼板中形成空腔。楼盖结构高度地下室顶板厚度为350 mm,其中上翼缘板厚为130 mm;其他层厚度均为300 mm,其中上翼缘板厚为80 mm,内设F8@150双向钢筋网, 下翼缘板厚均为20 mm,内设钢丝网片,方箱宽750 mm,肋梁宽150~200 mm。柱顶设置柱帽(Mb),柱帽(Mb)可以减小柱上板带的计算跨度,使得板的承载能力更大,挠度及抗裂性更好。

空腹楼盖平面布置及剖面如图3所示:

3.2结构超长

尽管设置防震缝,将整个建筑分成病房楼、门诊医技楼等几部分,但是各个单体仍然超长。

病房楼长约142 m,宽约29 m,且不设变形缝,其标准层典型平面简图如图4所示,其长度远远超过了规程[3]的要求。同时,结构布置上,为了不影响建筑功能要求,剪力墙沿交通核周边布置,在结构两端,由于布置了较多剪力墙,对楼盖两端起到了很大的约束作用,因此有必要进行温差效应分析。


工程地下室顶板平面尺寸191 m×139 m,地上通过防震缝分成各个单体,地下连为一体。地下一层顶板温度应力不容忽略。 依据《建筑结构荷载规范》[4]GB50009-2012),本地基本气温最高为360C,最低为-60C,工程合拢时间为9~250C,因此结构的最大温升为270C,最大温降为-310C。工程采用MIDAS Building对结构进行整体分析。有限元分析显示,在降温310C工况下,板的最大温度拉应力为2.6MPa[5],通过分析温差效应计算结果采取以下构造措施来控制温度应力[6][7]

(1) 设置间距不超过30 m的温度后浇带,该缝在施工后两个月用高一级的微膨胀混凝土浇筑;

(2) 采用低水化热的水泥配置混凝土,并适量加入粉煤灰。

(3) 采用碎石骨料配置混凝土。

(4) 混凝土中按试验配比添加 HE-O抗裂防水剂。

(5) 混凝土中掺加聚丙烯化学纤维(HDC-PP纤维),掺量为 0.8kg/m3

(6) 提高混凝土梁、板的配筋率标准。

(7) 施工时应严格控制水胶比,注意养护,并采取合理的施工工序。

门诊医技由于楼板开大洞位置较多,如图2所示,释放了相当一部分温度应力,同时采用最小板厚350 mm的宽扁梁加现浇混凝土空腹密肋楼盖,按照要求设置温度后浇带,由此可以比较好的解决门诊医技结构超长所带来的问题。

4 结构设计中特殊问题处理

本工程病房楼建筑结构高度81.600 m,门诊医技楼建筑结构高度22.750 m,高度均未超过规范规定的7度区A级高度的限值(120 m),但本工程存在以下超限情况:

4.1连接各个建筑结构单体的连廊为单跨框架结构[8]

一方面,通过提高单跨框架结构的抗震等级提高其抗震延性;另一方面,连廊抗震设计按性能化要求分析,按中震抗震弹性、抗弯不屈服验算,并满足大震截面抗剪的控制要求。

4.2门诊医技楼连桥位置联系薄弱

对图2所示的连接薄弱的连桥位置,采用ETABS软件进行楼板弹性分析,根据计算结果该处调整板厚,提高楼板配筋率;同时做为连桥支撑构件的框架柱,抗震等级由三级提高到二级,箍筋全高加密,提高框架柱的抗震性能,框架梁采用型钢混凝土梁。

4.3长悬臂梁

门诊医技楼由于建筑立面要求,在大厅四层以及五层屋面处需要做两道弧梁,方案设计时考虑做跨度为57 m的混凝土梁,但由于跨度较大,造成其两端的支撑框架柱截面较大,达到3.5 m×3.5 m,影响建筑使用功能,因此放弃该方案。

采用如图5所示结构布置方案,方案设计时考虑在外挑梁端加框架柱,以减小弧梁的跨度。但是考虑到作为门诊医技楼的主入口,其外立面的重要性,结构专业主动放弃该方案来实现建筑要求。

由此,此大跨梁是设计的一处难点,设计方案的选择直接影响到建筑结构的安全性、建筑立面的效果。采用如图67所示的结构布置方案,单柱外挑5.7 m,为加强挑梁框架的抗倾覆及整体稳定性,将屋面悬挑梁往后延伸至框架梁,形成整体。

对于大悬挑梁,鉴于其重要性,在计算和构造上采取如下措施:

1由于悬臂长度大于5 m,因此考虑竖向地震作用,同时采取如下性能目标:多遇地震构件保持弹性,设防烈度地震时也保持弹性,罕遇地震时,构件不屈服。

2加大悬挑梁根部截面高度,并采用变截面梁,保证悬挑端为平直段,并将梁内配工字型钢,提高其承载力及刚度,使之做为弧形梁的支点,同时使用SATWEMIDAS两种软件进行复核计算,以确保其承载力满足规范要求。考虑到做为静定结构悬挑梁的重要性,在配筋上进行了适当放大,支座负筋配筋率控制在2.2%左右。由于悬挑长度较长,按照规范要求进行了起拱,起拱值为跨度的0.3%。同时加大内伸主梁截面高度,以平衡挑梁弯矩。

3与悬挑梁相连的框架柱,在竖向地震作用下,严格控制框架柱的轴压比不超过0.3,提高其延性[14];同时沿柱周采用直径为14的螺旋箍筋,提高承载力。

4考虑圆弧梁对框架柱(跃层柱)的有利约束作用,在SATWE中修改柱计算长度系数,加大框架柱的截面尺寸,验算框架柱的稳定性。

为了增加四层单柱悬挑梁的安全储备,采取如图8所示的拉杆[9],考虑极端不利情况下,四层挑梁完全破坏,该处原有竖向荷载由拉杆传给五层悬挑梁,由此进行包络配筋设计,同时五层挑梁内置型钢,提高其抗弯及抗剪承载力。

4.4顶层大会议室设计

顶层大会议室长32.4 m,跨度24.3 m,层高5.4 m,为满足建筑会议室大空间的需要,抽掉中间跨度的六根柱子,导致屋面梁跨度较大,建筑要求梁高不能超过1 m。不上人屋面附加恒荷载为4 kN/m2,活荷载为0.5 kN/m2,初步拟采用如下三种结构布置方案:

1)井字梁布置

钢筋混凝土井字梁的经济跨度一般控制在20 m内,常用井字梁的截面高度一般取1/20~1/15,现拟采用1 m梁高试算,周边框架梁截面为500×1000,井字梁截面为300×1000。采用正放井字梁和斜放井字梁两种布置方式

计算结果表明,采用正放井字梁,由于受限于梁高,井字梁最大挠度为235.5 mm,远远超过规范限值L/30081mm,并且出现有个别梁配筋率超过3%的超筋情况;同时框架柱配筋率基本全部超过规范要求(5%)。采用斜放井字梁,尽管受力比较合理,框架柱没有出现配筋率超限情况,挠度减小且变化缓慢,但是斜放井字梁最大挠度为166.5 mm,也不符合规范限值要求。

(2) 型钢混凝土明梁+空腹楼盖

初步采用型钢混凝土梁截面尺寸为500×1400,上翻梁高400(该方案如果成立,再与建筑协调,改变屋面的排水方式,从而实现梁上翻),这样也能满足建筑对于梁高1000的限值要求。同时采用厚度为600 mm的现浇混凝土空腹密肋楼盖,台阶式柱帽(ZM)高度为1000 mm。采用型钢混凝土梁,挠度、裂缝能很好的满足,但是与型钢混凝土梁相连的框架柱配筋较大,出现超筋情况,若采用型钢混凝土柱,梁柱节点处钢筋仍然比较多,施工麻烦,且很难满足强柱弱梁。

3空腹楼盖+钢筋混凝土暗梁

采用厚度为1000 mm的现浇混凝土空腹密肋楼盖,其中上翼缘板厚为130 mm,下翼缘板厚为20 mm,钢筋混凝土暗梁截面为700×1000,台阶式柱帽(ZM)高度为1000 mm,故为暗柱帽。采用YJK1.6.2.2版本计算结果显示,板中的最大挠度为30.8291 mm,肋梁按照计算结果并考虑构造,均能满足设计对于正常使用和承载力的要求。 

5结语:

(1) 方案阶段,对于防震缝的设置应进行充分的论证。既要满足结构专业,同时需要考虑建筑使用功能,立面处理。本工程门诊医技采用不设防震缝的方案,虽然计算工作量较大,但避免了设防震缝划分单元后,产生更不规则结构单体的问题。

(2) 安徽蚌埠医学院第二附属医院门诊医技楼根据其建筑功能和平面布局,存在平面不规则的情况,同时门诊医技楼仅5层,22.750 m高,采用框架结构,各项指标参数均表现良好,满足规范要求,但考虑到其属于重点设防类,对于抗震设防要求更高,故采用具有两道抗震防线的框架剪力墙结构体系。同时,在结构设计时,整体按弹性设计,局部按性能化设计,从而对建筑本身应对其自身不规则性做了进一步的提高。

 (3) 由于建筑功能需要抽柱所形成的大会议室,其屋面由于跨度较大,采用正交井字梁、斜交井字梁、型钢混凝土明梁+空腹楼盖、空腹楼盖+钢筋混凝土暗梁布置均是解决问题的方法,采用哪种结构布置方式,还要根据具体情况,经过计算,综合分析确定采用。凝土暗梁布置均是解决问题的方法,采用哪种结构布置方式,还要根据具体情况,经过计算,综合分析确定采用。

 

参考文献


 [1] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].2010年版.北京:中国建筑工业出版社,2010.

[2] 郑伟国.地下结构抗浮设计的思路和建议[J].建筑结构,2013,43(5):88-91.

[3] JGJ3-2010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,2011.

[4] GB5009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[5] 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):77-82.

[6] 冯丽,顾渭建.高层建筑超长结构无缝技术裂缝控制的建筑和结构计算[J].哈尔滨建筑大学学报,2002,35(2):40-43.

[7] 傅学怡,吴兵.混凝土结构温差收缩效应分析计算[J].土木工程学报,2007,40( 10) : 50-59.

[8]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社.2013:162-163.

 [9] 叶禾.杭州市西湖区体育场看台索膜结构加固研究[J].建筑结构,2013,43(3):47-49.

 

 




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