某市醫(yī)院隔震結構設計

孫 兆 陽

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

0 引言

隨著中國經濟的發(fā)展，近十幾年來中國的建筑行業(yè)在不斷升溫，人民對住所和公用建筑的需求量逐漸增大。在這個快速建設的過程中，建筑物本身的安全性是最重要的一環(huán)。近十年來，我國經歷了數(shù)次6級以上大地震，不同的建筑物因為其本身的抗震能力差異，在真正地震來臨時產生的破壞天差地別。這幾次地震中，隔震建筑物破壞程度均較小，絕大部分展現(xiàn)出了優(yōu)良的抗震能力，因此，國內很多地區(qū)開始推廣隔震建筑，在以下內容中將以實例介紹某市隔震建筑的初步設計。

1 項目概況

本項目為中國西部地區(qū)某市人民醫(yī)院。醫(yī)院分為兩個結構單體：門診樓，地上5層，首層層高5.1 m，其余各層層高4.5 m，單層地下室，層高5.1 m，雙方向柱距為8.1 m，綜合樓，地上16層，首層～4層層高同門診樓，含1層設備層，層高2.2 m，5層～頂層層高3.7 m，2層地下室，層高均為5.1 m，雙方向柱距為8.1 m，設計時會根據(jù)實際需要布置剪力墻。兩個結構單體結構類型為鋼筋混凝土結構。

抗震設防烈度：8度0.20g，地震分組為第二組，場地土類別：Ⅱ類?？拐鹪O防類別：乙類；結構重要性系數(shù)：1.1；場地為平坦地面，各層土質均勻，無液化土、濕陷性土、膨脹土等不利因素；地下水水位低于地下室底板最低點，不考慮抗浮設計;基本風壓：0.30 kN/m2。

2 設計過程

2.1 隔震概念設計

隔震設計中，概念設計不可或缺。概念不合理，后續(xù)設計將會遇到很多困難，所以在隔震結構設計時，應首先進行概念設計。

本項目中兩個建筑單體分別為多層和高層建筑，均為高烈度區(qū)乙類建筑，因此，擬對建筑物采用隔震設計。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)(后文中簡稱《抗規(guī)》)中12.1.3，進行隔震設計的建筑高寬比宜小于4。兩個結構單體中，門診樓總高度為23.1 m，最小寬度72.9 m，高寬比為0.32，遠小于4；綜合樓總高為69.7 m，最小寬度為24.3 m，高寬比為2.90，雖未接近高寬比限值但高寬比較大。經方案比較，門診樓進行隔震設計，綜合樓進行抗震設計。

門診樓地下1層和首層層高均為5.1 m，選擇隔震位置時，設計人員考慮到，如采用基礎隔震，地下室及地上部分整體應與土完全脫離，隔震溝采用5.1 m高懸臂式擋土墻并不經濟；如采用上部隔震，建筑物首層層高較高，作為隔震層下部梁柱截面較大，不僅經濟性不好而且影響建筑使用空間；如采用地下室頂板隔震，地下部分因為有土體約束，梁柱截面適中，隔震溝高度適宜，優(yōu)勢較為明顯。綜合對比門診樓采用地下室頂板隔震。

門診樓采用隔震設計后，預估布置隔震支座后水平向減震系數(shù)可處于0.30～0.40之間，根據(jù)《抗規(guī)》12.2.7條文說明中的表格，水平向減震系數(shù)與抗震設防烈度的對應關系，隔震層上部結構可按設防烈度降低1度進行抗震設計，門診樓地上結構設計時抗震設防烈度采用7度0.10g，根據(jù)設計經驗，23.1 m建筑物在該烈度下采用框架結構比較經濟合理。

門診樓非高層建筑，且當?shù)鼗撅L壓不大，風荷載對建筑產生的水平力微乎其微，本結構單體完全符合《抗規(guī)》12.1.3第三條中要求。

綜上所述，本項目僅對門診樓進行隔震設計，隔震位置為地下室頂板，隔震層下部結構(后文中簡稱下部結構)按照原抗震設防烈度設計，隔震層上部結構(后文中簡稱上部結構)按照降低1度抗震設防烈度設計。

2.2 水平向減震系數(shù)確定

隔震設計中，水平向減震系數(shù)β尤為重要，它直接關系到上部結構的隔震效果，從而影響結構設計。根據(jù)《抗規(guī)》12.2.5，公式:

αmax1=βαmax/Ψ。

水平向減震系數(shù)β可以控制上部結構的水平地震影響系數(shù)，它是通過隔震支座的布置計算出來的。

結構預期水平向減震系數(shù)處于0.30～0.40之間。

根據(jù)《抗規(guī)》12.2.4對于水平向減震系數(shù)采取100%剪切變形下的等效剛度和等效粘滯阻尼比。造成100%剪切變形對應的水平力約符合中震下結構水平力，在計算中，選用中震下時程分析來確定水平向減震系數(shù)(α=0.45)。首先建立非隔震下的計算模型，隔震層高度輸入2.2 m，隔震層的柱底設為鉸接，計算出結構周期約為1.0 s；然后建立隔震下的計算模型，隔震層高度輸入2.2 m，隔震支座直徑先按照軸壓比限制12 MPa確定，如實輸入每個隔震墊的水平剛度，屈服力等，計算出結構周期約為3.5 s。將選取的5條天然波和2條人工波代入兩個模型進行中震下時程分析，取波的平均值對比兩個模型隔震層上部的各層剪力。將隔震模型中各層的剪力Vj1除以非隔震模型中對應各層的剪力Vj，得到各層的減震系數(shù)，所有減震系數(shù)取最大值，就得到了水平向減震系數(shù)β。經計算得，本結構的β=0.28，實際設計時取β=0.40作為安全儲備。

2.3 上部結構設計

上部結構為多層建筑。上部結構在設計時，按照嵌固部位為隔震支座頂端，常規(guī)抗震設計，抗震設防烈度為7度0.1g，相應抗震措施按原8度時降低1度，抗震等級為二級；根據(jù)《抗規(guī)》12.2.7，與豎向地震有關的抗震措施不降低，軸壓比仍按抗震等級為一級時框架結構軸壓比0.65取限值。根據(jù)《抗規(guī)》12.2.8隔震層頂板板厚最小值為160 mm，且梁板剛度和承載力宜大于一般樓層梁板剛度，設計時首層地面梁板截面進行了人為放大。

設計時將隔震模型輸入水平地震影響系數(shù)0.16，水平向減震系數(shù)修正值β/Ψ=0.5，框架結構抗震等級為二級，同時軸壓比上限減少0.10。

經設計計算，上部結構最大柱截面為700×700，底層柱截面600×700，梁主要截面為350×700，300×650，隔震層頂板梁截面為400×1 000，板厚210 mm混凝土強度等級：柱C50～C40，梁板C30。

2.4 下部結構設計

下部結構為單層地下室。除必須滿足土壓力等靜力作用下承載能力外，下部結構還需按照《抗規(guī)》12.2.9進行設防地震(中震)下抗震承載力和罕遇地震(大震)下抗剪承載力驗算。隔震層下部結構全部處于地下，不驗算罕遇地震下層間位移角。

地下室除局部有汽車入口外，均設置鋼筋混凝土外墻，嵌固剛度比滿足規(guī)范要求。設計時首先在隔震模型中將水平地震影響系數(shù)輸入為0.45，根據(jù)軟件驗算中震下下部結構的梁柱截面的承載力，構件抗彎和抗剪均達到不屈服水平；將模型保存，在備份隔震模型中將水平地震影響系數(shù)輸入為0.90，驗算大震下下部結構的梁柱截面抗剪承載力，混凝土構件抗剪截面滿足要求。

經設計計算，地下室中柱截面均為800×800，梁截面為400×900，與地下室外墻相連的柱截面為700×700，地下室外墻厚度350 mm，混凝土強度等級：C50。

2.5 隔震層設計

隔震層層高設計為2.2 m，分為隔震上下支墩和橡膠支座，根據(jù)設計經驗，隔震支墩一般為1 000 mm×1 000 mm,則可滿足常規(guī)設計要求，本階段不進一步計算。

橡膠支座設計時進行四個步驟。首先，總屈服力不小于非地震作用下產生的總水平力；其次將橡膠支座數(shù)據(jù)輸入到小震模型下靜力計算，驗算其最大壓應力不大于12 MPa，得出橡膠支座大致尺寸；再次將橡膠支座數(shù)據(jù)輸入到大震(α=0.90)模型下時程分析，驗算其最大壓應力不大于24 MPa，最大拉應力不大于1 MPa，水平位移不大于0.55倍最小支座直徑和3倍內部橡膠總厚度二者的較小值(本次設計為330 mm)；最后將設計完畢的橡膠支座數(shù)據(jù)重新代入到中震模型中反算水平向減震系數(shù)，驗算β值，保證其仍不大于0.40。經計算，橡膠支座共88個，其中15個含有鉛芯，支座直徑為600，700，800。

2.6 基礎設計

地基基礎設計等級為乙級。隔震支座對于沉降差異較為敏感，在含有地下室的建筑中，優(yōu)先考慮整體性好的筏形基礎，門診樓采用了平板式筏形基礎加柱墩的基礎形式，板厚為500 mm，地基承載力較為富余，進行了地基變形驗算，沉降差控制在15 mm以內。

因未參與隔震，地基基礎抗震設計仍按照原抗震設防烈度8度0.20g進行，設計方法同一般抗震建筑，此處不再贅述。

3 結語

以上內容為門診樓的隔震設計，在實際項目中，上述內容已基本滿足初步設計的深度要求。建筑隔震作為日趨成熟的技術，將會越來越多地應用于建筑中，望在今后的設計中，初次接觸隔震設計的讀者可根據(jù)本文得到一些啟發(fā)。