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摘要:广西桂东人民医院外科、门诊综合楼工程，采用25m跨度，两层共9m高预应力混凝土桁架转换构件在五层进行转换，以达到保存下部安置贵重医疗设备的“放射楼”目的，本工程转换桁架是广西区内跨度最大的转换构件。本文对该工程结构设计过程及要点进行了论述，重点对本工程的抗震超限问题及其处理方法进行了较详细说明。
关键词：结构设计；转换桁架；预应力；抗震超限
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
一、工程概况
“广西桂东人民医院外科、门诊综合楼” 位于广西梧州市西江三路，设一层地下室(建筑功能为车库、设备用房及六级人防地下室)，地面以上分为主楼及其裙楼部分，主楼二十三层，屋面檐口标高90.700，各层层高为3.6m～4.50m，室内外高差0.45m。裙楼5～6层，裙楼由两部分构成，一部分为医院原有的旧门诊大楼，一部分为新建裙楼。总建筑面积48890m2主楼和裙楼间设缝，地下室部分不设缝。因医院的大型设备和贵重医疗仪器均安装于旧门诊大楼北面“放射楼”部分中，如拆除该部分，移动医疗仪器，费用过高的同时，也会使医院长时间无法正常运作，鉴于上述原因，业主要求新门诊综合楼的设计必须保留原有旧门诊楼的“放射楼”部分。根据业主要求，我院设计了25m跨度预应力转换桁架，跨过旧门诊“放射楼”将其保留。
二、设计要求及自然条件
1、基本风压：W0= 0.35kN／m2 (建筑物高度超过60m考虑100年重现期风压)，地面粗糙度为B类。
2、抗震设防标准：按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第3.1.1条及《建筑工程抗震设防分类标准》第6章规定，本工程抗震设防类别为乙类，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，本工程地震作用按6度考虑，抗震措施按7度考虑，结构设计使用年限50年，结构安全等级为二级。
3、地基基础设计等级：根据GB 50007-2002第3，0.1条规定，取为乙级。
4、人防等级：人防地下室为平战结合核6级防空地下室。
5、地下室防水等级：根据GB 50108-2001第3.2.2条规定，取为二级。
6、工程地质慨况：根据《岩土工程勘察报告》，本工程建设场场地地形地貌较复杂，平整场地后，地面高程在23.200-23.80m，最大高差0.6m，拟建建筑物周围有多栋6～7层旧有房屋。场地东面约300m有一南北走向的较大断层通过，但对场地影响较小。场地基岩为寒武系随口群泥质粉砂岩、砂岩。基岩上覆盖有第四系土层，包括人工素填土、坡积粉质粘土、碎石土及冲积粉质粘土。本工程采用桩基础，根据钻探揭露，桩基可供选择的主要持力层分布自上而下为：泥质粉砂岩⑤1：局部结构已全部破坏，母岩矿物已土化。石英岩⑤2：该层为基岩中的石英矿脉，岩质坚硬，在场地内仅局部有，分布无规律。强风化粉砂岩⑤3-1：岩质上软下硬，岩芯多呈碎块状。中风化粉砂岩⑤3-2：岩芯呈碎块或短柱状。微风化粉砂岩⑤3-3：仅少数转孔钻到该层，岩芯呈长柱状，少量碎块状。
《岩土工程勘察报告》中桩基可供选择的主要持力层的极限侧阻力标准值qsk及桩端极限端阻力标准值qpk见下表：
本工程建设场地的地下水主要为潜水及基岩裂隙水，主要补给来源为大气降水及地表水，潜水主要分布于第四系土层中，水量、水位季节变化性较大。基岩裂隙水主要分布在基岩裂隙中，水量较大。混合水位稳定埋深5.70～17.60m，高程介于6.23～17.68m。
建筑场地类别为II类，属可建筑的一般场地，该场地可不考虑液化的影响。
三、结构设计
（一）、桩基础选型及方案比较
1、静压预制管桩
该方案以石英岩2或中风化粉砂岩3－2为持力层，单桩承载力较高，施工速度快；但由于原有旧门诊楼紧贴拟建的新门诊楼，拟建门诊楼框支柱底的轴力大约有35000KN，采用静压管桩，大约需要16桩左右，必定会与旧门诊楼基础相冲突，因此静压预制管桩基础无法实现。
2、人工挖孔桩
人工挖孔桩具有造价低廉，成桩质量有保证，施工技术成熟的优点。根据地勘报告，场地内虽然有地下水，但水量不大，挖孔桩施工过程中地下水可抽排干净，原医院旧门诊楼便是采用人工挖孔桩基础，本工程将该桩基形式作为第一方案， 以石英岩2或中风化粉砂岩3－2为持力层。
3、大直径钻（冲）孔灌注桩
大直径钻孔灌注桩穿透能力强，以石英岩2或中风化粉砂岩3－2为持力层，基础施工可不受地下水影响，但该桩型对场地污染较大，且施工过程中噪音影响大，对医院环境有一定影响，且旧楼紧贴拟建建筑物，施工机械就位有一定困难，本工程将大直径钻（冲）孔灌注桩作为后备方案，人工挖孔桩施工时如因地下水、流沙或圆砾层等原因发生困难，可采用此种桩型，该桩基形式应严格控制孔底沉渣厚度，以免对桩基承载力产生不利影响。
（二）、基坑开挖与支护
本工程基础埋深约为9.1m，应该考虑基坑施工时基坑稳定性及地下水问题应进行深基坑支护设计及止降水设计。
（三）、上部结构选型
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）6.1.14条及该条的条文解释，本工程采用剪切刚度模型计算得到地下室部分的侧向刚度与相邻上层侧向刚度：X方向为3.28；Y方向为2.50。两个方向的侧向刚度比均大于2，所以可判定地下室顶板为上部楼层嵌固端。在地下室顶板上为一栋二十三层主楼及两栋多层裙楼，裙楼层数分别为五层和六层。主群楼间采用110mm寬防震缝分开成为3栋互相独立的单体。根据《建筑抗震设计规范疑问解答》第11.8问，该种情况不属于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)第10.6节规定的多塔结构，裙楼和主楼之间无相互影响。
1、主楼
主楼共二十三层，屋面檐口标高90.700，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》GJ3-2002第4.2.2条规定及《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第6.1.1条规定，抗震设防烈度为7度房屋高度超过55m时不应采用框架结构，故主楼应采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构；因为要保留原有旧门诊楼中“放射楼”部分，所以在拟建新门诊大楼的四、五两层楼局部（具体设置部位见建筑及结构平面图）设置总高为9m的现浇预应力混凝土桁架作为转换构件，在转换桁架上升柱，跨过旧门诊“放射楼”，以达到保留“放射楼”的目的。
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第4.8.2条、10.2.5条及《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第6.1.2条，均只有框支抗震墙结构型式，无转换桁架上升柱的结构型式，在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第10.2.1条叙述：“在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。转换结构构件可采用梁、桁架、空腹桁架、箱型结构、斜撑等……”。《高规》已经叙述了转换桁架上升柱的结构型式，但在抗震等级的确定上无该种结构型式。为此，本院咨询了《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）主要起草人容柏生及《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 主要起草人王亚勇，综合他们的意见，对于该种结构型式，其抗震等级及相应构造要求采用如下方法确定：对于支撑转换桁架的框架柱以及转换桁架，按照框支框架确定抗震等级为一级，并向上延伸一层。剪力墙和非框支框架，确定抗震等级为二级。对于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第10.2.5条对于高位转换的规定，是针对部分框支剪力墙结构的规定，制定该条是因为在部分框支剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件，承担了大部分由地震力和风力产生的剪力及弯矩，不能上下贯通的框支墙，其承担的剪力和弯矩会在转换层通过转换构件及楼板进行传递，传递至其余上下贯通的剪力墙和柱上，所以要对框支柱和剪力墙底部加强区进行抗震等级的提高，而本工程转换桁架上升柱，在框剪结构中，柱承担的侧向力引起的层剪力和弯矩都很小，仅占20％左右，通过转换构件及楼板传递至上下贯通的剪力墙和柱不大，在构造上进行一定的加强即可。
综上所述，本工程虽然也是高位转换，但其框支柱和剪力墙底部加强区不需增加至特一级。但应加强配箍，以增加其延性。
地下室层高为4.2m，考虑承台厚度2.5m，室内外高差0.45m，基础埋深为9.100m，约为建筑高度的1/14.5，大于《高层建筑混肋土结构技术规程》JGJ3-2002规范第12.1.7条规定的基础埋深限值1/18。
主楼的纵向长度为75.60m、略大于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002规范第4.3.12条规定的伸缩缝间距限值50m，但为便于施工及日后使用需要，拟在设计及施工时采取设置后浇带、添加膨胀剂，加强屋面配筋等裂缝综合控制措施，从而不留设伸缩缝。
2、转换构件结构型式
本工程转换层的转换构件，采用现浇预应力转换桁架，该转换型式已在国内外得到了大量应用，本工程借鉴“长春客车长技术中心大楼(桁架跨度21.33m)”、“衡阳市巴可大厦(桁架跨度20.0m其中挑出4m)"“江苏省水产大厦(桁架跨度12.6m)”等已建成工程的实践经验，并参考了《带转换层高层建筑结构设计建议》(傅学怡)；《带预应力混凝土桁架转换层的多高层建筑结构设计和施工建议》(唐兴荣等)；《预应力混凝土桁架转换层结构的试验研究和设计建议》(唐兴荣等)；《简明高层钢筋混凝土结构设计手册》中有关转换桁架章节(李国胜)等理论资料，咨询了《抗规》主要起草入王亚勇及《高规》主要起草人容柏生的设计意见。经过设计人员分析及反复试算，拟采用9m高斜腹杆叠层预应力混凝土桁架型式作为本工程的转换构件，该转换型式的优点如下：该转换型式可以避免框支柱顶弯矩过大、柱剪力过大现象,框支柱的受力情况较其他转换型式好;斜腹杆疊层预应力混凝土桁架刚度大，承载力高，可以承担上部楼层传来的荷载以及保证正常使用极限状态下的变形满足规范要求;斜腹杆叠层预应力混凝土桁架较之其他转换型式更经济、美观，社会效应好;斜腹杆叠层预应力混凝土桁架较之其他桁架型式，如V型斜腹杆桁架，可使每根斜腹杆均受压力，避免了对斜腹杆进行预应力张拉带来的施工困难，施工质量无法保证等问题。
3、预应力张拉及施工
本工程采用后张法有粘结预应力型式，桁架的抗震等级为一级，抗裂等级为二级。据计算，本工程叠层桁架，上、下两条弦杆均存在轴拉力，分别设置预应力筋，平衡弦杆拉力。在弦杆局部弯矩较大的部位，配置预应力筋以平衡局部弯矩。桁架必须整体一次成形，张拉分四次完成，第一次为桁架施工完成，混凝土强度达到100％后张拉，第二次为施工至12层后进行张拉施工，第三次施工至18层后进行，待主体封顶后，进行第四次张拉施工。在主体施工过程中，均必须对桁架及结构整体进行变形观测，发现问题及时处理,桁架施工时，桁架支撑系统为刚性支撑，且支撑系统必须在主体封顶后方能拆除。
4、地下室
地面以下设一层地下室(建筑功能为车库、设备用房及六级人防地下室)，内设人防混凝土抗爆墙，平时作为医院地下车库使用，战时作为人防设施。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3.2002第4.8.5条及《建筑抗震设计规范》GB50011.2001第6.1-3条规定，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为二级；为控制裂缝，在地下室与主楼之间设置后浇带，待主体封顶并沉降稳定后浇捣，以减小混凝土的干缩应力，减少主裙楼之间的沉降差给上部结构带来的不利影响。
（四）、结构规则性判断
根据《建筑抗震设计规范》GB50011—200l、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》附件一进行建筑结构的规则性判别如下：⑴楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移)的1.2倍，小于1.4倍，故属于扭转不规则类型；⑵结构平面一至三层局部因要保留旧门诊放射楼，凹入部分尺寸大于建筑相应投影方向总尺寸的30％，故属于凹凸不规则类型；⑶各楼层侧向刚度不小手其相邻上层侧向刚度的70％和其上相邻三层侧向刚以度平均值的80％的较小值；楼层第8层以上南面弧形挑出，下部楼层在相应投影方向的宽度有90％以上的部分大于上部楼层在相应投影方向的水平尺寸的0.9倍，仅在弧形顶点有很少部分小于0.9倍上部楼层宽度，可认为未超过规范限制；，故不属于竖向不规则类型；⑷因第4、5两层在X方向设置两道25m跨度转换桁架，桁架斜腹杆在x方向抗剪能力很强，造成在x方向第3层层间抗侧力结构的受剪承载力仅为其上一层受剪承载力的0.67，超过规范规定的不宜小于0.8要求，但未超过规范规定的不应小于0.65的要求，故属于楼层承载力突变类型；⑸房屋高度为}t=88.900m，满足限值(120m)要求，故不属于高度超限类型；⑹房屋高宽比为}UB=88.9／21.8=4.08，满足限值5.0要求，故不属于高宽比超限类型；⑺房屋长宽比IJB=75.5／21.8=3.46<6，故不属于长宽比超限类型；⑻结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比wTl=1.4449／2.0942=0.690<0.85，不大于0.85。⑼主楼为《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002第10.2节的带转换层的复杂高层建筑结构，转换桁架位于第4、5两层；
综上所述本建筑物A、B、D、I四点超过规范限值，属于特别不规则的复杂高层建筑结构。
（五）、针对超限部分采取的技术措施
1、针对a点“扭转不规则”：
⑴调整建筑抗侧力构件，将扭转比值控制在规范允许范围内。
⑵分别考察了偶然偏心及双向地震作用对结构产生的扭转藕联地震影响，发现双向地震作用下，结构的扭转藕联地震力明显大于偶然偏心影响，本工程的扭转效应将记入双向地震作用下扭转藕联地震力的作用，确保建筑发生扭转时，各构件拥有足够的承载力。
2、针对b点“凹凸不规则”：
⑴本工程一至三层局部凹入，造成平面凹凸不规则，拟在凹入形成的楼板薄弱部位进行加强。一至三层平面凹入部分形成的的楼板薄弱处及相邻一跨的楼板局部加厚至150IIun，并增大板配筋率，并双层双向配筋，板边梁加大截面同时加强梁纵向钢筋的配置，在构造上确保该薄弱部位在地震发生时能更好的传递侧向力，且不先于其他构件破坏。
⑵在计算上，把一至三层平面凹入部分形成的的楼板薄弱处及相邻一跨的楼板定义为弹性膜，模拟地震发生时，该板发生面内变形对该层梁、柱、墙产生的影响，并采用此结果对该层梁、柱、墙进行配筋。
⑶对一至三层平面凹入部分形成的的楼板薄弱处及相邻一跨的楼板进行有限元分析，并输入恒载、活载、地震力及风力的荷载组合值进行分析，用分析结果指导该处板的配筋。
3、针对d点“楼层承载力突变”：
⑴根据《建筑抗震设计规范》GB50011—200l第3.4.3条的规定，竖向不规则结构应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，楼层承载力突变时薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一层的65％，设计时将严格按照上述规定执行。
⑵本工程不属于《建筑抗震设计规范》GB5001 1—2001第5.5.2条要求的应进行弹塑性变形验算的工程，薄弱层采用加大竖向构件配筋率，加大柱箍筋并全高加密以增加延性的方式加强。
4.针对i点“带转换层的复杂高层建筑结构”：
⑴桁架转换构件可避免框支柱出现柱顶弯矩过大，柱剪力过大的现象，但同时桁架转换层及上、下两层是结构较薄弱的部位，应严格控制桁架转换层及上、下两层的刚度比，以防止结构延竖向刚度相差过于悬殊。
⑵应确保上部构件的传力直接，桁架上部柱子型心应与桁架中心线重合，桁架中心线应与下部框支柱型心重合，消除局部偏心产生的附加弯矩影响。
⑶遵循强化下部、弱化上部的设计原则，为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化轉换层下部主体结构，如加大柱截面，加厚墙体.提高混凝土等级，提高配筋及配箍率等措施。弱化转换层上部主伍舞构刚度，如收小柱墙截面，降低混凝土等级，剪力墙上开洞等措施.以使转换层上下部分主体结构的刚度及变形特征尽量接近。
⑷计算全面准确，将转换桁架做为整体结构的一个重要组成部分，采用符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构计算。采用有限元软件对转换桁架结构进行局部补充计算，同时因为桁架上下弦杆为拉弯构件，应计及与桁架相连的楼板平面内变形及应力，对与桁架上下弦杆相连的板采用弹性膜模型计算板平面内应力，并对其加强截面及配筋。
⑸对桁架节点部位进行重点分析，确保桁架节点的抗剪性能，防止地震发生时，节点不发生脆性破坏。
⑹确保框支柱轴压比满足规范要求，保证框支柱的延性。
2.结构分析计算：
⑴根据GB50011—2001第3.6.6条第3款及JGJ3—2002第5.1.13条第l款规定，采用PKPM系列SAT和PMSAP两个不同力学模型进行多遇地震作用下的内力和变形分析，并对其计算结果进行分析比较。
⑵根据GB50011—200l第5.2.3条及JGJ3—2002第5.1.13条第2款规定，结构抗震分析时，按不规则结构进行扭转藕联计算.振型数为21个且计算振型参与质量不小于总质量的90％，以考虑水平地震作用扭转作用影响。
⑶根据GB50011—2001第3.6.4条规定，结构抗震分析时，应按照楼、屋盖在平面内变形情况确定为刚性、半刚性和柔性的横隔板，再按抗侧力系统的布置确定抗侧力构件的共同工作，并进行各构件的地震内力分析。
⑷根据GB50011—2001第5.1.2条第3款规定JGJ3—2002第5.1.13条第3款规定，采用时程分析法进行多遇地震下的补充汁算.取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
⑸根据GB50011-2001第3.4.3条第2款及JGJ3—2002第5.1.14条规定，采用空间结构计算模型，计算时把转换层定义为薄弱层，并将薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数。
3、计算分析软件及主要计算参数选用：
本工程设计中国建筑科学研究院编制的：PKPM系列，SATWE程序(高层建筑结构空间有限元分析与设计软件2005年4月版)及PMSAP程序(复杂高层建筑结构空间有限元分析与设计软件2005年4月版)，其主要计算参数如下：
⑴基本信息：水平力与整体座标夹角：0度；墙元细分最大控制长度：2.0m；地震力计算信息：计算X，Y两个方向的地震力;结构类别：复杂高层结构；结构规则信息：不规则；扭转藕联信息：藕联；计算振型个数：2l；
⑵地震信息：地震烈度：6度；设计地震分组：第一组；场地土类别：2类；周期折减系数0.8，结构的阻尼比5％；活载质量折减系数：0.5；特征周期：0.35S；多遇地震影响系数最大值：0.05；考虑偶然偏心，考虑双向地震力作用；
⑶调整信息：中梁刚度增大系数1.5，粱弯矩调峰系数0.85，梁跨中弯矩增大系数1.0，连梁刚度折减系数0.7，粱扭矩折减系数0.4，全楼地震力放大系数1.0，0.2Qo调整起始层号1～24，项塔楼内力放大起算层号24，项塔楼内力放大系数1.0，指定薄弱层个数3；指定薄弱层号4，5，6
⑷基本风压：0.35
⑸结构重要性系数1.0。
4、SATWE部分计算结果如下
⑴自振周期
振型 1 2 3
周期(S) 2.2048 2.0942 1.4449
角度(度) 87.06 174.21 45.66
平动系数(X+Y) 0.94(0.00+0.94) 0.96(0.95+0.01) 0.10(0.05+0.05)
扭转扭转系数 0.06 0.04 0.9
按《建筑结构荷载规范》附录E.2.1高层建筑钢筋混凝土结构基本自振周期的经验公式：T1=(0.05~0.10)n=1.15~2.3，由于本结构层高较高，因此结构的自振周期接近经验公式的上限值是合理的，同时X、Y方向自震周期相差不大，说明结构沿X、Y方向和高度方向墙柱布置是合理的，有利于抗震。
⑵结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比：
Tt/T1=1.4449/2.0942=0.690<0.85
⑶最大层间位移、最大弹性层间位移角及最大层间水平位移与层平均层间位移比
荷载工况
方向 最大弹性层间位移角
Δu/h 最大层间水平位移与层平均层间位移比
风荷载 X向 1／7149 1.08
Y向 1／2640 1.26
地震作用 X向 1／2541 1.15
X-5％向 1／2527 1.14
X+5％向 1／2117 1.35
Y向 1／ 1.33
Y-5％向 1／4497 1.35
Y+5％向 1／3606 1.31
JGJ3-2002限值 1／800 1.40
注：《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规范规定多遇地震作用下弹性层间位移角限值：框剪结构为1／800。大部分楼层最大层间水平位移与层平均层间位移比小于1.4，有局部大于1.4；由于本工程所在地的抗震设防烈度为6度，楼层位移较小，层间位移角小于规范娘值的l／3，楼层扭转位移比可适当放宽。
⑷剪重比及有效质量系数：
X向地震作用下：剪重比1.15％；。有效质量系数97.04％
Y向地震作用下：剪重比1.10％；有效质量系数96.36％
刚重比：X向7.00；Y向 6.14
⑸PMSAP部分计算结果如下：
⑹弹性时程分析：
地震波TH4TG035、VAH-2_35为时震记录，RHlTG035为人工模拟波,三条时程曲线计算所得的底部剪力，每条均不小于SATWE振型分解反应普法所求得的65％，且三条曲线的结构底部剪力的平均值大于SATWE振型分解反应普法所求得的80％。
计算结果
通过采用以上三个程序分别对本工程进行计算分析，三个程序的计算结果基本一致，各主要控制参数均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)的规定，因此本工程所采取的结构形式及结构布置是合理的。
⑺主要材料选用
混凝土：
①主体结构：
②垫层：C15；
③次要构件：C20；
④地下室底板、外墙、水池、游泳池及天面板之抗渗等级S8：
⑤地下室底板、顶板、侧墙采用补偿收缩混凝土。
⑥地下室底板、外墙采用普通硅酸盐水泥，水灰比≤0.60，水泥用量≥350kg/m3
铝酸三钙C3A<8％。
钢筋：HPB235、HPB 335、HPB400(采用等强镦粗直螺纹接头)。
型钢：Q235
焊条：E43、E50。
填充墙：混凝上小型空心砌块。
四、结语
本工程经过详细结构计算和感念分析，证明本工程虽然超限较多，是切实可行的
关键词：结构设计；转换桁架；预应力；抗震超限
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
一、工程概况
“广西桂东人民医院外科、门诊综合楼” 位于广西梧州市西江三路，设一层地下室(建筑功能为车库、设备用房及六级人防地下室)，地面以上分为主楼及其裙楼部分，主楼二十三层，屋面檐口标高90.700，各层层高为3.6m～4.50m，室内外高差0.45m。裙楼5～6层，裙楼由两部分构成，一部分为医院原有的旧门诊大楼，一部分为新建裙楼。总建筑面积48890m2主楼和裙楼间设缝，地下室部分不设缝。因医院的大型设备和贵重医疗仪器均安装于旧门诊大楼北面“放射楼”部分中，如拆除该部分，移动医疗仪器，费用过高的同时，也会使医院长时间无法正常运作，鉴于上述原因，业主要求新门诊综合楼的设计必须保留原有旧门诊楼的“放射楼”部分。根据业主要求，我院设计了25m跨度预应力转换桁架，跨过旧门诊“放射楼”将其保留。
二、设计要求及自然条件
1、基本风压：W0= 0.35kN／m2 (建筑物高度超过60m考虑100年重现期风压)，地面粗糙度为B类。
2、抗震设防标准：按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第3.1.1条及《建筑工程抗震设防分类标准》第6章规定，本工程抗震设防类别为乙类，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，本工程地震作用按6度考虑，抗震措施按7度考虑，结构设计使用年限50年，结构安全等级为二级。
3、地基基础设计等级：根据GB 50007-2002第3，0.1条规定，取为乙级。
4、人防等级：人防地下室为平战结合核6级防空地下室。
5、地下室防水等级：根据GB 50108-2001第3.2.2条规定，取为二级。
6、工程地质慨况：根据《岩土工程勘察报告》，本工程建设场场地地形地貌较复杂，平整场地后，地面高程在23.200-23.80m，最大高差0.6m，拟建建筑物周围有多栋6～7层旧有房屋。场地东面约300m有一南北走向的较大断层通过，但对场地影响较小。场地基岩为寒武系随口群泥质粉砂岩、砂岩。基岩上覆盖有第四系土层，包括人工素填土、坡积粉质粘土、碎石土及冲积粉质粘土。本工程采用桩基础，根据钻探揭露，桩基可供选择的主要持力层分布自上而下为：泥质粉砂岩⑤1：局部结构已全部破坏，母岩矿物已土化。石英岩⑤2：该层为基岩中的石英矿脉，岩质坚硬，在场地内仅局部有，分布无规律。强风化粉砂岩⑤3-1：岩质上软下硬，岩芯多呈碎块状。中风化粉砂岩⑤3-2：岩芯呈碎块或短柱状。微风化粉砂岩⑤3-3：仅少数转孔钻到该层，岩芯呈长柱状，少量碎块状。
《岩土工程勘察报告》中桩基可供选择的主要持力层的极限侧阻力标准值qsk及桩端极限端阻力标准值qpk见下表：
本工程建设场地的地下水主要为潜水及基岩裂隙水，主要补给来源为大气降水及地表水，潜水主要分布于第四系土层中，水量、水位季节变化性较大。基岩裂隙水主要分布在基岩裂隙中，水量较大。混合水位稳定埋深5.70～17.60m，高程介于6.23～17.68m。
建筑场地类别为II类，属可建筑的一般场地，该场地可不考虑液化的影响。
三、结构设计
（一）、桩基础选型及方案比较
1、静压预制管桩
该方案以石英岩2或中风化粉砂岩3－2为持力层，单桩承载力较高，施工速度快；但由于原有旧门诊楼紧贴拟建的新门诊楼，拟建门诊楼框支柱底的轴力大约有35000KN，采用静压管桩，大约需要16桩左右，必定会与旧门诊楼基础相冲突，因此静压预制管桩基础无法实现。
2、人工挖孔桩
人工挖孔桩具有造价低廉，成桩质量有保证，施工技术成熟的优点。根据地勘报告，场地内虽然有地下水，但水量不大，挖孔桩施工过程中地下水可抽排干净，原医院旧门诊楼便是采用人工挖孔桩基础，本工程将该桩基形式作为第一方案， 以石英岩2或中风化粉砂岩3－2为持力层。
3、大直径钻（冲）孔灌注桩
大直径钻孔灌注桩穿透能力强，以石英岩2或中风化粉砂岩3－2为持力层，基础施工可不受地下水影响，但该桩型对场地污染较大，且施工过程中噪音影响大，对医院环境有一定影响，且旧楼紧贴拟建建筑物，施工机械就位有一定困难，本工程将大直径钻（冲）孔灌注桩作为后备方案，人工挖孔桩施工时如因地下水、流沙或圆砾层等原因发生困难，可采用此种桩型，该桩基形式应严格控制孔底沉渣厚度，以免对桩基承载力产生不利影响。
（二）、基坑开挖与支护
本工程基础埋深约为9.1m，应该考虑基坑施工时基坑稳定性及地下水问题应进行深基坑支护设计及止降水设计。
（三）、上部结构选型
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）6.1.14条及该条的条文解释，本工程采用剪切刚度模型计算得到地下室部分的侧向刚度与相邻上层侧向刚度：X方向为3.28；Y方向为2.50。两个方向的侧向刚度比均大于2，所以可判定地下室顶板为上部楼层嵌固端。在地下室顶板上为一栋二十三层主楼及两栋多层裙楼，裙楼层数分别为五层和六层。主群楼间采用110mm寬防震缝分开成为3栋互相独立的单体。根据《建筑抗震设计规范疑问解答》第11.8问，该种情况不属于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)第10.6节规定的多塔结构，裙楼和主楼之间无相互影响。
1、主楼
主楼共二十三层，屋面檐口标高90.700，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》GJ3-2002第4.2.2条规定及《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第6.1.1条规定，抗震设防烈度为7度房屋高度超过55m时不应采用框架结构，故主楼应采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构；因为要保留原有旧门诊楼中“放射楼”部分，所以在拟建新门诊大楼的四、五两层楼局部（具体设置部位见建筑及结构平面图）设置总高为9m的现浇预应力混凝土桁架作为转换构件，在转换桁架上升柱，跨过旧门诊“放射楼”，以达到保留“放射楼”的目的。
《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第4.8.2条、10.2.5条及《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第6.1.2条，均只有框支抗震墙结构型式，无转换桁架上升柱的结构型式，在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第10.2.1条叙述：“在高层建筑结构的底部，当上部楼层部分竖向构件（剪力墙、框架柱）不能直接连续贯通落地时，应设置结构转换层，在结构转换层布置转换结构构件。转换结构构件可采用梁、桁架、空腹桁架、箱型结构、斜撑等……”。《高规》已经叙述了转换桁架上升柱的结构型式，但在抗震等级的确定上无该种结构型式。为此，本院咨询了《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）主要起草人容柏生及《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 主要起草人王亚勇，综合他们的意见，对于该种结构型式，其抗震等级及相应构造要求采用如下方法确定：对于支撑转换桁架的框架柱以及转换桁架，按照框支框架确定抗震等级为一级，并向上延伸一层。剪力墙和非框支框架，确定抗震等级为二级。对于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002第10.2.5条对于高位转换的规定，是针对部分框支剪力墙结构的规定，制定该条是因为在部分框支剪力墙结构中，剪力墙是主要的抗侧力构件，承担了大部分由地震力和风力产生的剪力及弯矩，不能上下贯通的框支墙，其承担的剪力和弯矩会在转换层通过转换构件及楼板进行传递，传递至其余上下贯通的剪力墙和柱上，所以要对框支柱和剪力墙底部加强区进行抗震等级的提高，而本工程转换桁架上升柱，在框剪结构中，柱承担的侧向力引起的层剪力和弯矩都很小，仅占20％左右，通过转换构件及楼板传递至上下贯通的剪力墙和柱不大，在构造上进行一定的加强即可。
综上所述，本工程虽然也是高位转换，但其框支柱和剪力墙底部加强区不需增加至特一级。但应加强配箍，以增加其延性。
地下室层高为4.2m，考虑承台厚度2.5m，室内外高差0.45m，基础埋深为9.100m，约为建筑高度的1/14.5，大于《高层建筑混肋土结构技术规程》JGJ3-2002规范第12.1.7条规定的基础埋深限值1/18。
主楼的纵向长度为75.60m、略大于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002规范第4.3.12条规定的伸缩缝间距限值50m，但为便于施工及日后使用需要，拟在设计及施工时采取设置后浇带、添加膨胀剂，加强屋面配筋等裂缝综合控制措施，从而不留设伸缩缝。
2、转换构件结构型式
本工程转换层的转换构件，采用现浇预应力转换桁架，该转换型式已在国内外得到了大量应用，本工程借鉴“长春客车长技术中心大楼(桁架跨度21.33m)”、“衡阳市巴可大厦(桁架跨度20.0m其中挑出4m)"“江苏省水产大厦(桁架跨度12.6m)”等已建成工程的实践经验，并参考了《带转换层高层建筑结构设计建议》(傅学怡)；《带预应力混凝土桁架转换层的多高层建筑结构设计和施工建议》(唐兴荣等)；《预应力混凝土桁架转换层结构的试验研究和设计建议》(唐兴荣等)；《简明高层钢筋混凝土结构设计手册》中有关转换桁架章节(李国胜)等理论资料，咨询了《抗规》主要起草入王亚勇及《高规》主要起草人容柏生的设计意见。经过设计人员分析及反复试算，拟采用9m高斜腹杆叠层预应力混凝土桁架型式作为本工程的转换构件，该转换型式的优点如下：该转换型式可以避免框支柱顶弯矩过大、柱剪力过大现象,框支柱的受力情况较其他转换型式好;斜腹杆疊层预应力混凝土桁架刚度大，承载力高，可以承担上部楼层传来的荷载以及保证正常使用极限状态下的变形满足规范要求;斜腹杆叠层预应力混凝土桁架较之其他转换型式更经济、美观，社会效应好;斜腹杆叠层预应力混凝土桁架较之其他桁架型式，如V型斜腹杆桁架，可使每根斜腹杆均受压力，避免了对斜腹杆进行预应力张拉带来的施工困难，施工质量无法保证等问题。
3、预应力张拉及施工
本工程采用后张法有粘结预应力型式，桁架的抗震等级为一级，抗裂等级为二级。据计算，本工程叠层桁架，上、下两条弦杆均存在轴拉力，分别设置预应力筋，平衡弦杆拉力。在弦杆局部弯矩较大的部位，配置预应力筋以平衡局部弯矩。桁架必须整体一次成形，张拉分四次完成，第一次为桁架施工完成，混凝土强度达到100％后张拉，第二次为施工至12层后进行张拉施工，第三次施工至18层后进行，待主体封顶后，进行第四次张拉施工。在主体施工过程中，均必须对桁架及结构整体进行变形观测，发现问题及时处理,桁架施工时，桁架支撑系统为刚性支撑，且支撑系统必须在主体封顶后方能拆除。
4、地下室
地面以下设一层地下室(建筑功能为车库、设备用房及六级人防地下室)，内设人防混凝土抗爆墙，平时作为医院地下车库使用，战时作为人防设施。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3.2002第4.8.5条及《建筑抗震设计规范》GB50011.2001第6.1-3条规定，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为二级；为控制裂缝，在地下室与主楼之间设置后浇带，待主体封顶并沉降稳定后浇捣，以减小混凝土的干缩应力，减少主裙楼之间的沉降差给上部结构带来的不利影响。
（四）、结构规则性判断
根据《建筑抗震设计规范》GB50011—200l、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》附件一进行建筑结构的规则性判别如下：⑴楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移)的1.2倍，小于1.4倍，故属于扭转不规则类型；⑵结构平面一至三层局部因要保留旧门诊放射楼，凹入部分尺寸大于建筑相应投影方向总尺寸的30％，故属于凹凸不规则类型；⑶各楼层侧向刚度不小手其相邻上层侧向刚度的70％和其上相邻三层侧向刚以度平均值的80％的较小值；楼层第8层以上南面弧形挑出，下部楼层在相应投影方向的宽度有90％以上的部分大于上部楼层在相应投影方向的水平尺寸的0.9倍，仅在弧形顶点有很少部分小于0.9倍上部楼层宽度，可认为未超过规范限制；，故不属于竖向不规则类型；⑷因第4、5两层在X方向设置两道25m跨度转换桁架，桁架斜腹杆在x方向抗剪能力很强，造成在x方向第3层层间抗侧力结构的受剪承载力仅为其上一层受剪承载力的0.67，超过规范规定的不宜小于0.8要求，但未超过规范规定的不应小于0.65的要求，故属于楼层承载力突变类型；⑸房屋高度为}t=88.900m，满足限值(120m)要求，故不属于高度超限类型；⑹房屋高宽比为}UB=88.9／21.8=4.08，满足限值5.0要求，故不属于高宽比超限类型；⑺房屋长宽比IJB=75.5／21.8=3.46<6，故不属于长宽比超限类型；⑻结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比wTl=1.4449／2.0942=0.690<0.85，不大于0.85。⑼主楼为《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2002第10.2节的带转换层的复杂高层建筑结构，转换桁架位于第4、5两层；
综上所述本建筑物A、B、D、I四点超过规范限值，属于特别不规则的复杂高层建筑结构。
（五）、针对超限部分采取的技术措施
1、针对a点“扭转不规则”：
⑴调整建筑抗侧力构件，将扭转比值控制在规范允许范围内。
⑵分别考察了偶然偏心及双向地震作用对结构产生的扭转藕联地震影响，发现双向地震作用下，结构的扭转藕联地震力明显大于偶然偏心影响，本工程的扭转效应将记入双向地震作用下扭转藕联地震力的作用，确保建筑发生扭转时，各构件拥有足够的承载力。
2、针对b点“凹凸不规则”：
⑴本工程一至三层局部凹入，造成平面凹凸不规则，拟在凹入形成的楼板薄弱部位进行加强。一至三层平面凹入部分形成的的楼板薄弱处及相邻一跨的楼板局部加厚至150IIun，并增大板配筋率，并双层双向配筋，板边梁加大截面同时加强梁纵向钢筋的配置，在构造上确保该薄弱部位在地震发生时能更好的传递侧向力，且不先于其他构件破坏。
⑵在计算上，把一至三层平面凹入部分形成的的楼板薄弱处及相邻一跨的楼板定义为弹性膜，模拟地震发生时，该板发生面内变形对该层梁、柱、墙产生的影响，并采用此结果对该层梁、柱、墙进行配筋。
⑶对一至三层平面凹入部分形成的的楼板薄弱处及相邻一跨的楼板进行有限元分析，并输入恒载、活载、地震力及风力的荷载组合值进行分析，用分析结果指导该处板的配筋。
3、针对d点“楼层承载力突变”：
⑴根据《建筑抗震设计规范》GB50011—200l第3.4.3条的规定，竖向不规则结构应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，楼层承载力突变时薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一层的65％，设计时将严格按照上述规定执行。
⑵本工程不属于《建筑抗震设计规范》GB5001 1—2001第5.5.2条要求的应进行弹塑性变形验算的工程，薄弱层采用加大竖向构件配筋率，加大柱箍筋并全高加密以增加延性的方式加强。
4.针对i点“带转换层的复杂高层建筑结构”：
⑴桁架转换构件可避免框支柱出现柱顶弯矩过大，柱剪力过大的现象，但同时桁架转换层及上、下两层是结构较薄弱的部位，应严格控制桁架转换层及上、下两层的刚度比，以防止结构延竖向刚度相差过于悬殊。
⑵应确保上部构件的传力直接，桁架上部柱子型心应与桁架中心线重合，桁架中心线应与下部框支柱型心重合，消除局部偏心产生的附加弯矩影响。
⑶遵循强化下部、弱化上部的设计原则，为保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力，应尽量强化轉换层下部主体结构，如加大柱截面，加厚墙体.提高混凝土等级，提高配筋及配箍率等措施。弱化转换层上部主伍舞构刚度，如收小柱墙截面，降低混凝土等级，剪力墙上开洞等措施.以使转换层上下部分主体结构的刚度及变形特征尽量接近。
⑷计算全面准确，将转换桁架做为整体结构的一个重要组成部分，采用符合实际受力变形状态的计算模型进行三维空间整体结构计算。采用有限元软件对转换桁架结构进行局部补充计算，同时因为桁架上下弦杆为拉弯构件，应计及与桁架相连的楼板平面内变形及应力，对与桁架上下弦杆相连的板采用弹性膜模型计算板平面内应力，并对其加强截面及配筋。
⑸对桁架节点部位进行重点分析，确保桁架节点的抗剪性能，防止地震发生时，节点不发生脆性破坏。
⑹确保框支柱轴压比满足规范要求，保证框支柱的延性。
2.结构分析计算：
⑴根据GB50011—2001第3.6.6条第3款及JGJ3—2002第5.1.13条第l款规定，采用PKPM系列SAT和PMSAP两个不同力学模型进行多遇地震作用下的内力和变形分析，并对其计算结果进行分析比较。
⑵根据GB50011—200l第5.2.3条及JGJ3—2002第5.1.13条第2款规定，结构抗震分析时，按不规则结构进行扭转藕联计算.振型数为21个且计算振型参与质量不小于总质量的90％，以考虑水平地震作用扭转作用影响。
⑶根据GB50011—2001第3.6.4条规定，结构抗震分析时，应按照楼、屋盖在平面内变形情况确定为刚性、半刚性和柔性的横隔板，再按抗侧力系统的布置确定抗侧力构件的共同工作，并进行各构件的地震内力分析。
⑷根据GB50011—2001第5.1.2条第3款规定JGJ3—2002第5.1.13条第3款规定，采用时程分析法进行多遇地震下的补充汁算.取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。
⑸根据GB50011-2001第3.4.3条第2款及JGJ3—2002第5.1.14条规定，采用空间结构计算模型，计算时把转换层定义为薄弱层，并将薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数。
3、计算分析软件及主要计算参数选用：
本工程设计中国建筑科学研究院编制的：PKPM系列，SATWE程序(高层建筑结构空间有限元分析与设计软件2005年4月版)及PMSAP程序(复杂高层建筑结构空间有限元分析与设计软件2005年4月版)，其主要计算参数如下：
⑴基本信息：水平力与整体座标夹角：0度；墙元细分最大控制长度：2.0m；地震力计算信息：计算X，Y两个方向的地震力;结构类别：复杂高层结构；结构规则信息：不规则；扭转藕联信息：藕联；计算振型个数：2l；
⑵地震信息：地震烈度：6度；设计地震分组：第一组；场地土类别：2类；周期折减系数0.8，结构的阻尼比5％；活载质量折减系数：0.5；特征周期：0.35S；多遇地震影响系数最大值：0.05；考虑偶然偏心，考虑双向地震力作用；
⑶调整信息：中梁刚度增大系数1.5，粱弯矩调峰系数0.85，梁跨中弯矩增大系数1.0，连梁刚度折减系数0.7，粱扭矩折减系数0.4，全楼地震力放大系数1.0，0.2Qo调整起始层号1～24，项塔楼内力放大起算层号24，项塔楼内力放大系数1.0，指定薄弱层个数3；指定薄弱层号4，5，6
⑷基本风压：0.35
⑸结构重要性系数1.0。
4、SATWE部分计算结果如下
⑴自振周期
振型 1 2 3
周期(S) 2.2048 2.0942 1.4449
角度(度) 87.06 174.21 45.66
平动系数(X+Y) 0.94(0.00+0.94) 0.96(0.95+0.01) 0.10(0.05+0.05)
扭转扭转系数 0.06 0.04 0.9
按《建筑结构荷载规范》附录E.2.1高层建筑钢筋混凝土结构基本自振周期的经验公式：T1=(0.05~0.10)n=1.15~2.3，由于本结构层高较高，因此结构的自振周期接近经验公式的上限值是合理的，同时X、Y方向自震周期相差不大，说明结构沿X、Y方向和高度方向墙柱布置是合理的，有利于抗震。
⑵结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比：
Tt/T1=1.4449/2.0942=0.690<0.85
⑶最大层间位移、最大弹性层间位移角及最大层间水平位移与层平均层间位移比
荷载工况
方向 最大弹性层间位移角
Δu/h 最大层间水平位移与层平均层间位移比
风荷载 X向 1／7149 1.08
Y向 1／2640 1.26
地震作用 X向 1／2541 1.15
X-5％向 1／2527 1.14
X+5％向 1／2117 1.35
Y向 1／ 1.33
Y-5％向 1／4497 1.35
Y+5％向 1／3606 1.31
JGJ3-2002限值 1／800 1.40
注：《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规范规定多遇地震作用下弹性层间位移角限值：框剪结构为1／800。大部分楼层最大层间水平位移与层平均层间位移比小于1.4，有局部大于1.4；由于本工程所在地的抗震设防烈度为6度，楼层位移较小，层间位移角小于规范娘值的l／3，楼层扭转位移比可适当放宽。
⑷剪重比及有效质量系数：
X向地震作用下：剪重比1.15％；。有效质量系数97.04％
Y向地震作用下：剪重比1.10％；有效质量系数96.36％
刚重比：X向7.00；Y向 6.14
⑸PMSAP部分计算结果如下：
⑹弹性时程分析：
地震波TH4TG035、VAH-2_35为时震记录，RHlTG035为人工模拟波,三条时程曲线计算所得的底部剪力，每条均不小于SATWE振型分解反应普法所求得的65％，且三条曲线的结构底部剪力的平均值大于SATWE振型分解反应普法所求得的80％。
计算结果
通过采用以上三个程序分别对本工程进行计算分析，三个程序的计算结果基本一致，各主要控制参数均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)的规定，因此本工程所采取的结构形式及结构布置是合理的。
⑺主要材料选用
混凝土：
①主体结构：
②垫层：C15；
③次要构件：C20；
④地下室底板、外墙、水池、游泳池及天面板之抗渗等级S8：
⑤地下室底板、顶板、侧墙采用补偿收缩混凝土。
⑥地下室底板、外墙采用普通硅酸盐水泥，水灰比≤0.60，水泥用量≥350kg/m3
铝酸三钙C3A<8％。
钢筋：HPB235、HPB 335、HPB400(采用等强镦粗直螺纹接头)。
型钢：Q235
焊条：E43、E50。
填充墙：混凝上小型空心砌块。
四、结语
本工程经过详细结构计算和感念分析，证明本工程虽然超限较多，是切实可行的