云南省疾病預(yù)防控制中心生物安全樓隔震設(shè)計(jì)

徐莉

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

1 工程概況

云南省疾病預(yù)防控制中心位于昆明市呈貢區(qū)。生物安全樓主要功能有菌種庫及P2、P3實(shí)驗(yàn)室。生物安全樓地上4層，局部3層，存在局部錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，無地下室，結(jié)構(gòu)房屋高度H=19.50 m，建筑尺寸為36.20 m（長）×30.60 m（寬）。主要柱網(wǎng)7.20 m×6.90 m，7.20 m×7.90 m。首層層高4.80 m，2~4層層高4.80 m，局部3層層高7.0 m。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 抗震設(shè)防分類

依據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《分類標(biāo)準(zhǔn)》）[1]第4.0.6條“承擔(dān)研究、中試和存放劇毒的高危險(xiǎn)傳染病病毒任務(wù)的疾病預(yù)防與控制中心的建筑……，生物安全樓應(yīng)劃分為特殊設(shè)防類?！?/p>

2.2 地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告

2.2.1 安評(píng)報(bào)告參數(shù)

依據(jù)《分類標(biāo)準(zhǔn)》第3.0.3條“特殊設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施。同時(shí)，應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評(píng)價(jià)的結(jié)果且高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求確定其地震作用”。依據(jù)《云南省區(qū)域性國際疾病預(yù)防控制中心建設(shè)項(xiàng)目生物安全樓工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，50年超越概率值63%、10%、2%對(duì)應(yīng)的特征周期Tg分別為0.60 s、0.70 s、0.90 s；水平地震影響系數(shù)最大值αmax分別為0.232、0.687、1.206。

2.2.2 安評(píng)參數(shù)與國標(biāo)參數(shù)對(duì)比結(jié)果

本工程抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.2 g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，Ⅲ類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0.65 s。在主要周期點(diǎn)上安評(píng)報(bào)告對(duì)比規(guī)范反應(yīng)譜可知，本工程設(shè)防烈度按9度（0.40 g）參數(shù)，地震作用取包絡(luò)，即多遇地震和設(shè)防地震時(shí)按9度（0.4 g）取用，罕遇地震時(shí)按項(xiàng)目《地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》結(jié)果取用，在罕遇地震作用下分析時(shí)，地震作用放大8%。

2.3 結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)、設(shè)計(jì)工作年限及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

本工程采用GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）（以下簡稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》）[2]第12章分部設(shè)計(jì)法的隔震設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)、設(shè)計(jì)工作年限及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)、設(shè)計(jì)工作年限及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

3 隔震結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 多遇地震分析

采用YJK軟件對(duì)隔震層以上結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性分析。生物安全樓結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面規(guī)則，豎向局部存在個(gè)別構(gòu)件錯(cuò)層，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，錯(cuò)層柱抗震等級(jí)提高為特一級(jí)。周期折減系數(shù)0.7，考慮雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、偶然偏心的影響。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期比第一平動(dòng)周期為0.86 s，兩方向?qū)娱g位移角最大值為1/560，層間側(cè)向剛度比＞1.0，不存在薄弱層。各項(xiàng)小震計(jì)算指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

3.2 地震波的選取

本工程同時(shí)采用ETABS模型建立隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行罕遇地震驗(yàn)算。選取了7條時(shí)程曲線，5條天然波（T1~T5）和2條人工波（R1和R2），7條時(shí)程反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜基底剪力對(duì)比結(jié)果如表2所示，滿足每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力應(yīng)不小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值應(yīng)不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%的限值。

3.3 隔震層設(shè)計(jì)

3.3.1 隔震支座布置

本工程采用橡膠隔震支座，每根柱下布置1個(gè)支座，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭能力，周邊布置鉛芯橡膠支座LRB900，中部結(jié)合上部結(jié)構(gòu)剛度變化局部布置無鉛芯橡膠支座LNB900，支座布置如圖1所示。

圖1 隔震支座編號(hào)及布置圖

本工程共使用了30個(gè)支座，橡膠支座符合《設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求：同一隔震層內(nèi)各個(gè)橡膠隔震支座的豎向壓應(yīng)力宜均勻，豎向平均應(yīng)力不應(yīng)超過甲類建筑的限值10 MPa；在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa；在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移限值應(yīng)小于其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值。

表2 非隔震結(jié)構(gòu)基底剪力

3.3.2 驗(yàn)算隔震結(jié)構(gòu)的偏心率

隔震層剛度中心與質(zhì)量中心宜重合，控制隔震結(jié)構(gòu)的偏心率設(shè)防烈度地震作用下不宜大于3%。本工程兩個(gè)方向偏心率分別為：X方向1.04%，Y方向1.08%，滿足規(guī)范要求。

3.3.3 驗(yàn)算隔震支座壓應(yīng)力

在荷載組合為：1.0倍恒載+0.5倍活載，各個(gè)支座壓應(yīng)力最大值為8.25 MPa，小于甲類建筑的限值10 MPa。

3.4 設(shè)防地震分析

3.4.1 隔震前后周期比較

設(shè)防地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)第一周期T1=2.676 s，隔震前結(jié)構(gòu)第一周期T′1=0.835 s，結(jié)構(gòu)的周期延長約3倍，地震效應(yīng)明顯減少。

3.4.2 水平向減震系數(shù)

隔震層以上結(jié)構(gòu)的水平地震作用可根據(jù)水平向減震系數(shù)確定。本工程為多層結(jié)構(gòu)，其層間剪力比值的最大值為β=0.232，根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.5條，隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmax1＝βαmax/ψ=0.232×0.32/0.85=0.087（其中，αmaxl為隔震后的水平地震影響系數(shù)最大值；αmax為非隔震的水平地震影響系數(shù)最大值；β為水平向減震系數(shù)；ψ為調(diào)整系數(shù)；一般橡膠支座，取0.80；支座剪切性能偏差為S-A類，取0.85；隔震裝置帶有阻尼器時(shí)，相應(yīng)減少0.05）。根據(jù)條文說明12.2.5條“表7水平向減震系數(shù)與隔震后結(jié)構(gòu)水平地震作用所對(duì)應(yīng)烈度的分檔”，按水平向減震系數(shù)0.232＜0.27，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔震后水平地震影響系數(shù)最大值取為0.12。

3.5 罕遇地震分析

3.5.1 支座最大剪力和最大軸力

根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.9條規(guī)定：隔震層的支墩、支柱及相連構(gòu)件滿足罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩的承載力要求；隔震層以下的地下室滿足嵌固剛度比和隔震后設(shè)防地震的抗震承載力要求，并滿足罕遇地震下的抗剪承載力要求。罕遇地震下驗(yàn)算隔震層的位移，同時(shí)得到軸力、剪力用于支墩設(shè)計(jì),本工程支座剪力VX=1 014 kN，VY=1 012 kN。

3.5.2 隔震層水平位移計(jì)算

罕遇地震下隔震層最大水平位移429 mm，小于0.55D=495 mm（D為最小隔震支座直徑，本工程采用隔震支座最小直徑為900 mm）及3Tr≥495 mm（Tr為最小隔震支座的橡膠層總厚度165 mm）中的較小值，滿足要求；端部支座最大位移429 mm，放大1.15倍后為493 mm，滿足支座位移要求。

3.5.3 隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.4條：隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下，拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0 MPa。經(jīng)計(jì)算，罕遇地震下僅個(gè)別支座存在拉應(yīng)力，5號(hào)支座（LRB900-Ⅱ）產(chǎn)生的拉應(yīng)力0.04 MPa，隔震支座拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.5.4 隔震支座支墩設(shè)計(jì)

下支墩設(shè)計(jì)內(nèi)力為罕遇地震作用下的支座最大剪力和最大軸力，支墩高度H=400 mm，考慮剪力的附加彎矩后，支墩配筋如圖2所示（La為鋼筋錨固長度）。支墩處鋼筋較密，且需預(yù)埋支座定位板，縱筋在柱頂彎折后建議相互搭接。

圖2 隔震支座下墩柱配筋（尺寸單位：mm，標(biāo)高單位：m）

4 隔震構(gòu)造

本工程隔著構(gòu)造主要注意以下兩點(diǎn)：（1）下掛電梯基坑需躲避隔震墩；（2）首層建筑出入口節(jié)點(diǎn)做法。隔震構(gòu)造措施的具體做法參考03SG610-1《建筑結(jié)構(gòu)隔震構(gòu)造詳圖》[3]。

5 結(jié)論

1）高烈度區(qū)的特殊設(shè)防類建筑，優(yōu)先考慮隔震設(shè)計(jì)，并合理選用設(shè)計(jì)參數(shù)。

2）采用隔震層以上按照多遇地震作用下的整體模型計(jì)算，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的限值要求。針對(duì)本工程不規(guī)則項(xiàng)-局部錯(cuò)層，采取了提高錯(cuò)層柱的抗震等級(jí)的措施。

3）采用隔震設(shè)計(jì)，合理布置鉛芯支座和天然支座，有效延長結(jié)構(gòu)周期，實(shí)現(xiàn)減小地震作用的目的。同時(shí)，按規(guī)范要求驗(yàn)算隔震層構(gòu)件及隔震結(jié)構(gòu)指標(biāo)，均滿足規(guī)范要求。