上海市第一人民医院新建医疗综合楼结构设计

  张  晔

  （同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

[摘要]  上海市第一人民医院新建医疗综合楼结构存在扭转不规则、平面尺寸突变、抗侧力构件不连续、斜柱转换等超限情况。介绍了结构的工程特点和针对结构超限情况采取的相应抗震措施，并对结构进行了弹性分析、时程分析、楼板应力分析和静力弹塑性分析，结果表明各项指标均能满足规范要求。最后归纳总结了医疗建筑的特点及其对结构设计的特殊要求。

1  工程概况

  上海市第一人民医院新建医疗综合楼位于上海市虹口区，总建筑面积为5万m2。主楼采用框架-剪力墙结构，地上15层，结构高度为61. 6m，为A级高度高层建筑；裙楼采用框架一剪力墙结构，地上5层，结构高度为23m。地上建筑主要功能为门诊、急诊、手术室、病房等医疗功能。地下室3层，局部设置人防，埋深为14. 9m，地下建筑主要功能是停车库、设备用房、大型医疗设备房、库房等辅助用房。

  新建医疗综合楼在3层和4层设置跨过武进路与原第一人民医院医技楼、病房楼相连的空中连廊。1～3层型钢混凝土柱截面尺寸为1 100×1 100（内置2根焊接H型钢700 x450 x25 x35，十字交叉布置），钢筋混凝土柱截面尺寸为800×900，700×700，剪力墙厚度均为400mm，混凝土强度等级均为C60；4，5层型钢混凝土柱截面尺寸为900×900（内置2根焊接H型钢450×200 x18×24，十字交叉布置），钢筋混凝土柱截面尺寸为800×900，700×700，剪力墙厚度均为350mm，混凝土强度等级均为C50：6～9层钢筋混凝土柱截面尺寸为800×900，700×800，剪力墙厚度均为300mm，混凝土强度等级均为C40；10~15层钢筋混凝土柱截面尺寸为700×800，700×700，剪力墙厚度均为300mm，混凝土强度等级均为C30。建筑效果图见图1。

  本工程抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0. lOg，建筑场地类别为上海Ⅳ类，设计特征周期为0. 90s。根据《建筑工程抗震设防分类标准》( GB 50223-2008)，本工程抗震设防类别为重点设防类（乙类），地震作用计算按抗震设防烈度7度考虑，抗震措施按设防烈度提高一度即8度考虑。上部结构的框架和剪力墙的抗震等级均为一级。结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。基本风压取0. 55 kN／m2，由于本工程主楼结构高度超过60m，因此在主楼承载力设计时风荷载按基本风压的1.1倍取值；基本雪压取0.20kN/m2，地面粗糙度为C类。

2  基础设计

  根据勘察显示，拟建场地75. Om深度范围内地层均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成，场地深部土层相对较稳定。拟建场地无液化土层，为不液化场地。场地稳定水位为吴淞高程1. 22~2.27m，抗浮设计时按地下高水位埋深0. 5m考虑。

  本工程地下3层，埋深14.9m，且西面紧邻上海

市优秀历史保护建筑——虹口区消防站。为减小基坑开挖对保护建筑的影响，本工程基坑采用逆作法。基础设计等级为甲级，采用桩筏基础。桩型采用钻孔灌注桩以减小挤土效应对周边老建筑的影响，主楼采用直径850mm、桩长48m、单桩抗压承载力为3 300kN的钻孔灌注桩，裙楼采用直径700mm、桩长44m、单桩抗压承载力为2 390kN、单桩抗拔承载力为1 800kN的钻孔灌注桩，桩尖持力层均为⑧。层灰色粉质黏土夹粉砂。在框架柱位置均布置直径850mm、桩长48m的钻孔灌注桩，兼作逆作法立柱桩，承载力和配筋同时满足工程桩和立柱桩的要求。基础筏板厚度为1 000mm，局部楼电梯间剪力墙布置集中处筏板厚度为2 500mm。由于地下室平面尺寸超长，设计中采用设置后浇带、加大地下室底板厚度、加强地下室结构构件配筋、加强混凝土养护保温等措施消除温度及收缩应力产生的不利影响。

  地下室围护墙体采用复合型两墙合一的做法，即利用基坑围护的地下连续墙作为地下室外墙，依次在地下连续墙内侧做水泥砂浆找平层、膨润土防水毯、防水砂浆抹面，而后在内侧做250mm厚防水混凝土内衬墙，实现地下连续墙挡土、止水，防水层和内衬墙防水、防渗的目的。此做法的主要优点有：1)节省了地下室外墙的工作量，不仅降低了工程造价，而且缩短了施工周期；2）墙体刚度大、整体性好，能承受较大的水平向水土侧压力，因此结构和地基变形都较小；3）采取了多道防水、防渗措施，因此防水、抗渗性能更可靠。

3  上部结构设计与计算分析

3.1结构超限情况及抗震措施

  本项目由上海抗震办组织专家进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查会，新建医疗综合楼超限和不规则情况如下：

  (1)扭转不规则。本工程由于建筑功能和造型的要求，楼电梯间剪力墙偏一侧布置，并非对称布置，且东南处由于竖向构件布置不规则刚度差异较大，部分楼层在考虑偶然偏心地震作用下的扭转位移比大于1.2，且偏心率大于0. 15。

  (2)尺寸突变。新建医疗综合楼在6层标高处平面收进尺寸大于相邻下一层的25 010（图2，3）。

  (3)竖向构件不连续。新建医疗综合楼东南处7根框架柱竖向不连续，在3层楼面处形成转换，造成3层楼板布置与2层差异较大（图4）。

  (4)其他不规则。东南处1~2层的穿层柱采用交叉斜柱形式，分别置于桁架斜杆的节点处与3层框架转换柱底（图4），形成斜柱转换。

  针对以上超限情况，结构设计时采取了以下针对性措施：

  (1)针对扭转不规则，结构设计时通过结构柱、墙的合理布置，各楼层的最大位移比大部分小于1.2，在偶然偏心下部分楼层大于1.2，且均小于1. 4。

(2)针对尺寸突变，在结构设计时采用了如下加强措施：1）控制立面收进处上下层的抗剪承载力之比不小于0. 8;2）对立面收进部位的楼板应力进行分析，控制中震下大部分楼板不开裂，应力较大的楼板虽开裂但楼板钢筋不屈服，即楼板钢筋应力小于钢筋强度标准值；3）加强立面收进部位的楼板厚度至150mm，双层双向配筋，并控制楼板配筋率不小于0. 25 010；4）加强收进部位以上一层和以下两层周边竖向构件的配筋构造措施，适当增大柱配筋率，箍筋全长加密，箍筋形式采取井字复合箍筋，箍筋直径不小于12mm。

  (3)针对竖向不连续，在结构设计时，对该层楼板特别进行加强，板厚增加至160mm，采用双层双向并适当加大配筋。设防目标为中震下大部分楼板不开裂（即板内主拉应力< ftk，，。为混凝土轴心抗拉强度标准值），控制应力较大的楼板虽开裂但楼板钢筋不屈服（即楼板钢筋应力小于钢筋强度标准值）。对穿层柱的计算长度系数进行复核，并采取措施提高穿层柱的延性，如适当增大柱配筋，箍筋全长加密等，穿层柱抗震等级提高为特一级。

  (4)交叉斜柱是本结构的关键构件，其性能目标为中震不屈服，正截面承载力满足．sge+ SEhk+0. 4SEvk≤Rk，受剪承载力满足Sge+0.4SEhk+SEvk≤Rk（Sck为重力荷载代表值的效应，SEhk为水平地震作用标准值的构件内力，SEvk为竖向地震作用标准值的构件内力，Rk为截面承载力标准值）。

  此外，结构设计时还采取了以下有利于提高结构抗震性能的措施：

  (1)采用轻质结构材料，改善结构的抗震性能。采用砂加气混凝土砌块及轻钢龙骨石膏板等轻质墙体材料。

  (2)提高抗震等级。本工程东南处1～2层大堂的穿层斜柱抗震等级提高为特一级。

  (3)在施工图设计时，在各楼层标高处的混凝土剪力墙内设置暗梁，以增加剪力墙的整体性和抗侧刚度。

  (4)在施工图设计时，按规范采取较为严格的构造措施，包括严格控制柱、墙轴压比，保证其配箍率，并保证楼板厚度和配筋率等。上部结构框架柱轴压比严格控制在0. 65以下，并对个别接近轴压比限值的框架柱采用井字复合箍，全长加密箍筋；对轴压比较大的框架柱，适当增大框架柱的配筋率，并控制其最大配筋率在4%以下。剪力墙的轴压比控制在0.5以下，并控制剪力墙约束边缘构件的最小配筋率不小于1. 2%，剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率不小于0. 25%。

3.2计算分析

  (1)主体结构的内力和位移按现行规范规定的弹性方法进行计算分析，分别采用SATWE，PMSAP，ETABS软件建立了力学模型并进行计算分析，计算结果见表1。从表1可以看出，三个软件计算的主要指标的数值基本吻合，且整体计算结果均满足现行规范要求。

  (2)根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)（简称抗规）的规定，本工程需按抗规进行小震时程分析，作为对小震振型分解反应谱法( CQC法)的补充计算。选用了7条地震波，分别为上海《建筑抗震设计规程》( DGJ 08-9-2013)中的SHW1．SHW3，SHW4地震波以及由中国建筑科学研究院提供的MEX007，US256，US335，US1215地震波。结构基底剪力和楼层最大层间位移角见表2。由表2可以看出，所选的7条地震波计算得到的基底剪力均大于CQC法计算结果的65%，7条地震波计算得到的基底剪力平均值大于CQC法计算结果的80%，说明所选地震波符合抗规要求。7条地震波计算得到的最大层间位移角的平均值满足抗规要求，且略小于CQC法计算的最大层间位移角。

  (3)本工程东南角3层转换处楼板布置与2层的差异较大，将该区域楼板定义为弹性板，采用PMSAP软件对其进行了小震和中震下应力计算。计算结果显示，2，3层楼板小震下最大应力分别为1.7，1. 9MPa，中震下大部分楼板应力均约为1. 5MPa，均小于C30混凝土轴心抗拉强度标准值2. OIMPa。2，3层楼板中震下局部楼板应力较大处最大主拉应力标准值分别为3.6，3. 7MPa，满足σ1k，中震≤fykA。/hs（σ1k，中震为中震下楼板主拉应力标准值，fy为钢筋屈服强度标准值，As为楼板钢筋的截面面积，h为楼板厚度，s为楼板钢筋的配筋间距），即局部洞边楼板不屈服。对于2，3层楼板，板厚160mm，中震下局部楼板应力较大处最大主拉应力标准值为3. 7MPa，采用12@150双层双向配筋，fykA8/hs为3.77MPa，大于σ1k，中震，可满足小震下楼板不开裂，中震下楼板大部分不开裂，局部洞边楼板不屈服的性能目标。

  (4)采用PKPM系列的静力弹塑性分析软件PUSH验算了结构在罕遇地震作用下的楼层位移。大震作用下结构薄弱部位的最大弹塑性层间位移角为1/129（X向），1/176（y向），小于规范限值1/100。

  在推覆分析的过程中，从第一个荷载步到结构达到性能点的荷载步，结构构件塑性铰依次开展。首先是部分连梁进入塑性，然后部分框架梁端出现塑性铰，之后核心筒底部剪力墙开始进入塑性发展阶段，框架柱没有出现塑性。在性能点荷载步时，剪力墙底部区域塑性发展较多，结构性能点塑性铰开展情况见图5。在施工图阶段将对底部出现塑性铰的墙体进行加强。

  在大震性能点步骤下，两个方向的弹塑性层间位移角均小于规范要求限值1/100，说明结构具有足够的刚度储备和内力重分布能力，不至于进入临界倒塌极限状态。因此，结构整体抗震性能满足“大震不倒”的抗震性能目标。

4  医疗建筑设计特点

  (1)医疗建筑属于抗震防灾建筑，具有比一般民用建筑更为严格的抗震要求。因此，医疗建筑的抗震设防分类根据其规模常被划分为乙类，其抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。

  (2)医疗建筑的建筑设计为了满足其特殊的功能及设备要求，常会遇到刚度突变、塔楼偏置等不利因素，且医疗建筑的上下层隔墙布置非常不规则，常常是上部最合适部位设置的剪力墙到了下部无法落地。结构设计人员要尽早参与建筑方案设计，在满足建筑功能的前提下合理布置结构构件，改善其抗震性能。

  (3)医疗设备众多，设备荷载较大。结构设计在满足设备厂商提供荷载的同时还需考虑一定的余量，以应对医疗设备的更新。在考虑设备荷载时，不仅要考虑设备用房的荷载，还需考虑设备的运输和装配。必要时，在墙或楼板处均需预留吊装口，且在设备运输行进路线上考虑足够荷载。

  (4)设备用房的特殊要求导致相邻楼面高低差较大，结构设计需考虑一定的构造措施以保证水平力的有效传递。

  (5)有些医疗设备能产生高能粒子、强辐射，如直线加速器、CT和MRI等医疗用房均需做防护处理。有些防护处理措施为在楼板、隔墙处加设铅板，有些则需要加厚混凝土墙体及楼板的厚度，甚至对相关区域结构施工缝的设置也有特殊要求，例如，施工缝做成凸字形等。结构设计需在有防护处理要求的房间预留足够荷载，并考虑混凝土墙体刚度对整体结构的影响。

5  结语

  本文主要对上海市第一人民医院新建医疗综合楼超限高层建筑结构设计（本项目于2013年10月通过上海市抗震办组织的超限高层建筑工程抗震设防专项审查）以及医疗建筑不同于其他民用建筑的设计特点进行了介绍。论述了本项目的结构体系和结构布置、超限情况和抗震措施、结构弹性分析、时程分析、楼板应力分析和静力弹塑性分析。计算结果表明，结构设计均满足规范要求。医疗建筑较之其他民用建筑具有功能多、结构较为复杂、抗震要求更严格的特点。因此结构设计不仅要了解建筑功能及设备要求，而且要分析建筑及各专业对结构带来的影响，紧密配合各个相关专业，最终建成满足各方要求且能造福公众的医疗建筑。