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医疗设计 学术研究 专利

熊掌与鱼——屈曲约束支撑在中山医院医疗科研综合楼的应用小记

2021-02-25119

结构所-陈朝云、邓茂广


中山医院医疗科研综合楼集医疗与科研功能为一体,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。大楼南北向布置,东西方向总长度为115.5 米,南北方向总宽度为66.5 米。地上20 层,裙房7 层,建筑高度87.950 米。裙房平面呈钻石形,裙房以上主楼呈V形展开,夹角成132°。1~7层包含外科手术室、ICU、病理科等功能,8层以上为妇产科、外科、临床验证平台病房等功能。裙房以下和以上房间布置差异大,从基础通至主楼顶的剪力墙仅有北侧楼电梯间和山墙局部部位可以布置,八层以上主楼沿横向刚度偏弱,结构抗扭转能力欠缺。需要适当调整上部楼层的刚度分布,改善建筑抗震性能。


医疗科研综合楼立面效果图


一层平面图


八-十三层平面图


上部楼层房间分隔固定,在A-3、5、7轴和B-3、5、7轴框架填充墙位置增设支撑能有效增强结构抗扭转性能。但新的问题产生了,增设支撑后,刚度适合时,支撑构件承受的轴压力超出支撑的承载能力。为满足承载力要求,增大支撑构件尺寸,支撑的刚度增大,支撑受到的力也进一步增大。支撑刚度过大,使上部楼层刚度突变,反而影响结构整体性能。就普通支撑而言,足够的承载能力和适宜的刚度,如熊掌与鱼,不可兼得。


支撑布置平面图


为此,我们在相应位置设置屈曲约束支撑(BRB)。BRB是由芯材、约束芯材屈曲的套筒和位于芯材与套筒间的无粘结材料及填充材料组成的一种支撑构件。BRB仅芯板与主体框架连接,所受荷载完全由芯板承担,外套筒和填充材料约束芯板受压屈曲。因此BRB没有受压稳定问题,其在风载与小震下构件承载能力比普通支撑提高 2-10 倍。BRB在满足承载力的情况下,其截面大大减小,同时满足刚度适宜的要求。屈曲约束支撑从裙房最上一层开始设置,部位为7-19层。考虑到7层通道的通行要求,局部人型支撑形式调整为单斜杆支撑形式。


屈曲约束支撑构成原理图


屈曲约束支撑布置立面图


结构抗震设计为两阶段设计方法,在小震阶段屈曲约束支撑保持弹性,其结构延性系数、阻尼比按照普通混凝土结构规定选取。定义屈曲约束支撑的方法与定义普通钢支撑方法类似。不同之处在于以屈曲约束支撑的等效截面面积来定义支撑。
屈曲约束支撑芯板截面沿长度方向变化,计算时将芯板等效为一根与屈曲约束支撑轴向刚度相同的等截面杆件。
屈曲约束支撑的轴向刚度ke采用串联弹簧的刚度计算方法得到,
ke=k1k2k3 ∕(k2k3+2k1k2+2k1k3)其中k1、k2、k3为芯板各段的轴向刚度
等截面直杆截面面积即等效截面面积Ae根据ke和支撑长度由下式得到。
Ae=ke(l1+2l2+2l3)∕E

屈曲约束支撑芯板示意图


用等效截面进行计算,结构总体指标、结构构件承载力满足要求,求得屈曲约束支撑在小震下最不利组合轴力值如下:


根据每根支撑的等效截面面积、拟采用的芯板钢材等级及支撑预估实际长度,计算每根屈曲约束支撑的设计承载力。得到屈曲约束支撑的设计承载力后,提取支撑在各荷载组合下的最大内力,并与支撑设计承载力进行对比,如各荷载组合下最大内力小于支撑设计承载力,则满足要求。
本工程屈曲约束支撑的选型为:JG-BRB-C-1800-4000,JG-BRB-C-1350-6000,JG-BRB-C-1350-4000,参数如下:


本项目设置屈曲约束支撑目的为改善整体抗扭性能,优化结构刚度分布,布置数量较少,因此未考虑增加结构附加阻尼。

为进一步了解屈曲约束支撑在各阶段进入屈曲的情况,采用PROFORM-3D软件补充罕遇地震作用下屈曲支撑的弹塑性计算分析。屈曲支撑在多遇地震状态下弹性,调节结构扭转变形;在设防地震和罕遇地震下部分支撑进入屈服,但未破坏,仍有刚度和承载力。由于屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力,在大震下可起到“保险丝”的作用,保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏。大震后,可以方便地更换损坏的支撑,恢复结构抗震性能。



天然波(SHW12_NGA_1237CHICHI.CHY090(1.1s))BRB的性能状态

[ OP ≤ 青< IO ≤ 绿 < LS ≤ 橙


屈曲约束支撑连接节点依据“强节点,弱构件”的准则进行设计,节点承载力应大于屈曲约束支撑的极限承载力。屈曲约束支撑的连接方式有三种方式:焊接、螺栓连接和销轴连接。本工程从施工便利程度和经济性考虑,采用焊接连接。


屈曲约束支撑与梁、柱连接节点


连接节点预埋件


屈曲约束支撑在满足构件承载力的同时,提供适宜的结构刚度,“熊掌与鱼”,兼而得之。中山医院医疗科研综合楼通过合理应用屈曲约束支撑,达到降低扭转效应、改善整体刚度、提高抗震性能的良好效果。


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