某市醫院隔震結構設計

孫 兆 陽

(中國中元國際工程有限公司，北京 100089)

0 引言

隨著中國經濟的發展，近十幾年來中國的建筑行業在不斷升溫，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。近十年來，我國經歷了數次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，絕大部分展現出了優良的抗震能力，因此，國內很多地區開始推廣隔震建筑，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某市人民醫院。醫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。抗震設防類別：乙類；結構重要性系數：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，均為高烈度區乙類建筑，因此，擬對建筑物采用隔震設計。

根據《建筑抗震設計規范》(2016年版)(后文中簡稱《抗規》)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可處于0.30～0.40之間，根據《抗規》12.2.7條文說明中的表格，水平向減震系數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，且當地基本風壓不大，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》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 水平向減震系數確定

隔震設計中，水平向減震系數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《抗規》12.2.5，公式:

αmax1=βαmax/Ψ。

水平向減震系數β可以控制上部結構的水平地震影響系數，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處于0.30～0.40之間。

根據《抗規》12.2.4對于水平向減震系數采取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(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，所有減震系數取最大值，就得到了水平向減震系數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《抗規》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《抗規》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0.16，水平向減震系數修正值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》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，嵌固剛度比滿足規范要求。設計時首先在隔震模型中將水平地震影響系數輸入為0.45，根據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，根據設計經驗，隔震支墩一般為1 000 mm×1 000 mm,則可滿足常規設計要求，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；其次將橡膠支座數據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；再次將橡膠支座數據輸入到大震(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據重新代入到中震模型中反算水平向減震系數，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本文得到一些啟發。