上海杰地建筑设计有限公司 上海 200085
摘要：公共卫生中心新建外科楼属于特别不规则多层建筑，结构长度达到120m，属于超长建筑。通过多程序小震对比计算、中震楼板应力分析、罕遇地震静力弹塑性分析，温度应力分析等，对建筑薄弱部位进行了加强。本楼紧邻已有建筑，通过桩基优化并采用有效的施工措施减少对周边建筑影响。
关键词：混凝土结构；超长结构；特别不规则
Structure Design of New Surgical building in Shanghai Public Health Clinical Center
Bian Feng
（Architectural Design（Shanghai）Co.，Ltd. Shanghai 200085，China）
Abstract：The new surgical building in Shanghai Public Health Clinical Center is a Multi-strory building beyond normal irregular，it is also a super long building with the length of 120m. According to comparative calculation under frequently earthquake，stress analysis of floor slab under moderate earthquake，Pushover Analysis under rare earthquake and temperature stress analysis，the weak parts of the building have been strengthened. The building is adjacent to the surrounding buildings，optimum design of pile foundation and effective engineering measures have been taken to reduce the impact to the surrounding buildings.
Keywords：concrete structure；super long building；beyond normal irregular structures
1.项目概况
上海市（复旦大学附属）公共卫生临床中心（简称“公卫中心”）是复旦大学附属三级甲等医院。公卫中心本部地处上海市金山区，紧邻S4、G15 高速公路亭卫公路出口处，占地33.3 公顷，总建筑面积101389.22 平方米，于2004 年11 月16 日落成启用。
本工程位于公卫中心院区内部，总建筑面积13756 平方米，均为地上建筑面积。新建外科大楼总高17.5m（不含坡屋面），一层层高5.5m，二层至四层层高均为4.0m，大楼平面长度约121m，宽度约44m。建筑效果图如图1所示。
图2 典型结构平面图
2.项目设计难点
2.1 医疗建筑功能复杂
本项目属于综合性外科大楼，1楼设置中心供应、病理科、部分门诊用房以及变电所等设备用房；2楼设置接触/血行传播外科病房；3楼设置艾滋病妇产科及肝胆妇产科病房；4楼设置6间洁净手术室；5层为设备夹层。整个项目受限于建筑面积，对竖向构件截面及布置有着较为苛刻的要求。
2.2体型特别不规则
新建外科楼一层值三层存在深凹口，B/Bmax=0.33，属于平面凹凸不规则；考虑偶然偏心的扭转位移比为1.39，大于1.2小于1.4，属于扭转不规则；屋面东南、西北两个塔楼存在个别转换，属于其他不规则。综上所述，新加外科楼属于特别不规则建筑，根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》第3.4.1条，需要进行抗震专项论证。
2.3 建筑超长不设缝
本楼平面长度约120m，宽度约40m。由于病房及走到有负压要求，为了保证密闭性，整楼不设伸缩缝。对于120m的超长不设缝建筑，需要考虑温度应力的影响。
2.4 预制桩挤土效应
新建大楼位于公卫中心内部，其北侧为门急症医技楼，最近距离约11m，南侧为病房楼，最近距离约60m。相对于灌注桩，预制桩经济性更好，采用静压沉桩，对院区环境影响小。但预制桩沉桩存在挤土效应，对周边建筑的影响需要进一步分析论证。
3.结构难点分析设计
3.1结构形式选择
设计时考虑了框架结构，框架支撑结构及框剪结构体系。由于建筑位于7度区、IV类场地，且层高为4m~5.5m，按框架试算时，为满足层间位移角达到1/550，典型柱截面需要做到600X800~800X800，该方案柱子截面大，对建筑功能影响较大。
如果要柱子截面控制在600x600，则需要在原来框架结构基础上增加钢支撑。由于建筑功能复杂，除了楼电梯间以外，几乎没有从上到下可以布置支撑或的地方。支撑数量较少，导致单片支撑承受较大地震力大，截面需要做到300x300箱型截面才能基本满足抗震要求。框架支撑结构体系对建筑立面效果、使用功能影响较大，不利于医院全周期过程中的改造再利用。
最终该项目选择了框架剪力墙结构，典型柱截面600x600，剪力墙布置主要布置在楼梯间及电梯井位置，较好的满足建筑使用功能和抗震需求。由于剪力墙布置较为集中，造成有些剪力墙承担较大的地震力，为了改善剪力墙端柱配筋，在配筋较大剪力墙端柱或暗柱内设置型钢，增强其抗震性能。
3.2针对特别不规则建筑的抗震分析
3.2.1 小震分析
小震分析采用盈建科和PMSAP两种软件计算复核，确保计算准确。本项目采用框架剪力墙结构体系，剪力墙布置主要布置在楼梯间及电梯井位置，另外在两端也适当增加了一些剪力墙，提高结构抗扭刚度。水平地震作用采用振型分解反应谱法进行计算，设计内力选用偶然偏心作用和双向地震作用的包络值，控制扭转位移比在1.4之内。小震下计算结果如表1所示。
两个软件的计算结果吻合较好。小震作用下，楼层最大层间位移角和位移比均满足规范要求。底层框剪所占倾覆力矩比例控制在20%~50%之间，属于典型的框架剪力墙结构体系。
表1 小震下多软件结果对比
3.3.2 罕遇地震分析
新建外科楼为地上四层，较为简单，自振周期小于2s，且以第一振型为主，可采用静力弹塑性方法进行分析计算。本次分析选用的盈建科软件静力弹塑性模块（push over）进行分析计算。罕遇地震分析时，按7度（0.1g）抗震设防，IV类场地特征周期取1.1s，最大地震影响系数0.45。计算结果显示，建筑罕遇地震下最大弹塑性位移角为X方向为1/254，Y方向为1/297，均小于规范规定的1/100。
3.3.3 地震作用下楼板应力分析
新建外科楼中部细腰，楼板较为薄弱，且存在较多的楼板开洞，故对全楼楼板进行地震下弹性楼板应力分析。分析软件选用盈建科，计算时对整楼楼板采用弹性膜假定来研究其在地震作用下板内应力情况。
图5 二层中震下x地震楼板应力图
3.3.4 温度作用下楼板应力分析
本工程长度约120m，属于超长结构，设计中已设置后浇带，来减少混凝土收缩和温度变化的影响。此外，本工程也进行了温度作用应力分析，根据计算结果来加强楼板配筋。
在正常使用条件下，混凝土裂缝主要是由混凝土自身收缩和环境温度变化引起的收缩这两部分导致的。工程设计中，混凝土的收缩变形采用收缩当量温降ΔT'来分析，按60天后封闭后浇带，ΔT'=24℃。
环境问题变化主要包括：昼夜温差、季节温差、骤降温差。考虑到房屋外围护结构采取保温隔热措施昼，一般设计温差取季节温差（因为季节温差比日照温差大）。根据上海地区气象温度记录，在空调室外计算温度34.7℃（夏季）、2.5℃（冬季），空调室内计算温度26.0℃（夏季），18℃（冬季）。假定后浇带合拢温度为20℃，最不利工况下（冬季降温），室内的温差为ΔT=20-18=2℃，屋面的温差为ΔT=20-（18+2.5）/2=9.75℃。
设计计算时无应力降温温差可取ΔTst=ΔT'+ΔT，室内取24+2=26℃，室外取24+9.75=34℃。考虑混凝土徐变，温度应力折减系数取0.3。
盈建科软件计算降温工况下楼板最大主应力如表2所示。
表2 各层楼板最大主应力值
计算层 1层 2层 3层 4层 屋面
S1（MPa）6.444 3.634 1.4920.611 0.487
以楼板应力最大的一层为例，如图7所示，中间区域的应力要比两端大，大部分区域的楼板拉应力均小于2.5Mpa，在角部存在较大的应力集中。
图7. 一层降温工况加楼板最大应力图
设计时，楼板钢筋采用双层双向拉通，分区域进行楼板配筋的加强，对中部应力较大的区域适当提高楼板配筋率，按不小于2.5/2/360=0.35%的配筋率设计。此外对于x方向的梁，配筋进行加强，设置腰筋不小于4d14。施工时也可根据实际情况，采取以下措施，来改善混凝土的收缩：
1）砼低温入模，低温养护，尽量降低砼的终凝温度。
2）设置后浇带（40m左右），避开砼收缩应变的高峰发展期，从而有效释放大部分的收缩应力（最好60d后浇筑后浇带，不少于30d）。
3）通过高湿度养护、适当加入添加剂、减小水灰比和水泥用量、改善水泥和砂石骨料的质量。
3.3.5 基础设计
根据地勘报告显示，拟建场地的土层主要为①层填土、②层灰黄色粉质粘土、③层灰色淤泥质粉质粘土、④层灰色淤泥质粘土、⑤1 层灰色粘土以及第⑤2 层灰色砂质粉土、第⑥层暗绿色~草黄色粉质粘土层、第⑦1 层灰色~草黄色粉质粘土。原地勘报告建议第⑥层作为基础持力层，设计桩长约28m。上部单柱荷载约5500kN，按照一柱四桩估算，需要用到28m长的PHC600（AB）-110管桩，Ra才能达到1400kN。后经过补勘，选择⑦层土作为持力层，设计桩长约32m，用PHC500（AB）-100管桩Ra即可达到1400kN。表3汇总了两种桩型的参数对比。
表3 PHC管桩单桩参数对比
选用PHC500管桩，相比PHC600管桩，混凝土材料用量减少约（2.63-2.26）/2.63=14%，挤土的体积减少约（7.91-6.28）/7.91=20.6%，显然采用PHC500管桩是更为经济合理的。
新建大楼北侧为门急症医技楼，最近距离约11m，南侧为病房楼，最近距离约60m。沉桩时应考虑挤土效应对已有建筑的影响，采取以下措施：
a.沉桩顺序按自北往南进行。
b.在新建楼北侧设置防挤沟。
c.控制沉桩速率，加强对周边建筑物和地下管线监测，并根据监测情况及时调整。
4.总结
新建外科楼属于特别不规则多层建筑，且结构超长，结合抗震专项审查意见，进行了结构选型比较、抗震分析、温度应力分析、桩基优化等工作，并根据计算结果采取了有效的措施对结构的薄弱部位进行加强，对特别不规则多层项目的结构设计具有一定的参考价值。
参考文献：
[1] 建筑抗震设计规范（2016年版）：GB 50011-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.
[2] 超长混凝土结构设计中基本问题研究与工程实践[J]. 孟少平，韩重庆，吴京. 工业建筑. 2006（05）
[3] 静力弹塑性分析（PUSH-OVER）方法及其工程应用[J]. 薛彦涛，徐培福，肖从真，徐自国. 建筑科学. 2005（06）
[4] 建筑桩基技术规程：JGJ 94-2008 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.
论文作者:卞锋
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/21
标签：楼板论文; 应力论文; 建筑论文; 结构论文; 温差论文; 不规则论文; 外科论文; 《防护工程》2019年第6期论文;