某醫(yī)療建筑隔震加固設(shè)計(jì)與分析

閆 兵

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400000）

0 引言

近十余年，我國(guó)接連發(fā)生了較大規(guī)模的地震破壞，如 2008 年汶川 8.0 級(jí)地震、2010 年青海玉樹 7.1 級(jí)地震、2013 年四川蘆山 7.0 級(jí)地震和甘肅定西 6.6 級(jí)地震，這幾次大地震均造成大量房屋倒塌，人員傷亡慘重和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。其中，蘆山地震中的蘆山縣人民醫(yī)院隔震門診樓經(jīng)受了強(qiáng)震考驗(yàn)，發(fā)揮了非常重要的應(yīng)急救護(hù)作用，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。

由于醫(yī)療建筑做為重要的生命線工程，在地震發(fā)生后，需要承擔(dān)起應(yīng)急醫(yī)療救護(hù)任務(wù)，因此，建筑內(nèi)部的家具、大型醫(yī)療設(shè)備、康復(fù)設(shè)備、設(shè)施等必須保證完好，才能保證醫(yī)療建筑在震后功能不中斷或快速恢復(fù)，并及時(shí)發(fā)揮作用。

既有醫(yī)療建筑大多建造年份久遠(yuǎn)，建筑的抗震性能無法滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，在進(jìn)行抗震加固時(shí)，需要整棟樓停業(yè)，甚至整個(gè)醫(yī)院的醫(yī)療功能將停用。在此情況下，采用隔震技術(shù)既能夠保證建筑的抗震性能提升，也能夠保證醫(yī)院的醫(yī)療功能不中斷。

此外，2019 年 10 月 8 日由司法部發(fā)布的《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》［1］（征求意見稿）中的第二十二條，規(guī)定“位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場(chǎng)所等既有公共建筑進(jìn)行抗震加固時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用隔震減震技術(shù)”。這將加速隔震技術(shù)在醫(yī)療建筑上的應(yīng)用。

1 工程概況

某醫(yī)院住院樓建于 1988 年，框剪結(jié)構(gòu)，地上 8 層，局部 10 層（出屋面）。無地下室，上部結(jié)構(gòu) 1～8 層層高3.6 m、9 層層高 4.5 m、10 層層高 3.6 m，上部結(jié)構(gòu)剪力墻厚 200 mm。本建筑高寬比為 3，上部結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示。該工程所在地的抗震設(shè)防烈度為 8 度，基本地震加速度為 0.2 g，地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為乙類，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。

圖1 某醫(yī)療建筑上部結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》［2］和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］（簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》），使用 YJK 軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震計(jì)算分析，結(jié)果表明，8 度多遇地震作用下，該建筑 80 % 的梁和柱配筋不符合要求，柱截面配筋最大不足 50 %，梁截面配筋最大不足 75 %。必須采取加固措施。7 度多遇地震作用下滿足要求。如采用傳統(tǒng)抗震技術(shù)進(jìn)行加固，需要將該住院樓清空，并采取加大截面方式進(jìn)行加固，嚴(yán)重影響該建筑的日常使用。本文將對(duì)采用隔震技術(shù)加固設(shè)計(jì)的建筑抗震性能提升效果進(jìn)行分析。

2 隔震設(shè)計(jì)

2.1 隔震設(shè)計(jì)方案

該工程采用基礎(chǔ)隔震加固設(shè)計(jì)方案，共使用 59 個(gè)隔震支座，包括 38 個(gè)鉛芯橡膠隔震支座和 21 個(gè)天然橡膠隔震支座，隔震支座參數(shù)如表 1 所示，平面布置如圖 2 所示。經(jīng)計(jì)算，隔震支座的長(zhǎng)期面壓為 11.73 MPa，滿足《抗規(guī)》乙類建筑不超過 12 MPa 的要求。

表1 隔震支座參數(shù)

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

采用 ETABS 軟件對(duì)上部結(jié)構(gòu)分別按照非隔震、隔震進(jìn)行時(shí)程分析。采用非線性時(shí)程快速積分法（ FNA），隔震支座采用 Rubber Isolator 單元和 Gap 單元組合，實(shí)現(xiàn)隔震支座拉壓不等剛度的輸入［4］。非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的前3階周期如表 2 所示，可以看出，隔震結(jié)構(gòu)的周期顯著增大，一階振型的結(jié)構(gòu)周期從 0.678 s 延長(zhǎng)至 3.731 s。

圖2 隔震層支座布置

表2 非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的前 3 階周期 s

2.3 地震動(dòng)選取

采用時(shí)程分析法時(shí)，《抗規(guī)》要求：每條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力大于反應(yīng)譜分析結(jié)果的 65 %，且不超過 135 %；多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力平均值大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 80 %，且不超過 120 %。

圖3 三條地震波與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比

本工程選取 2 條天然波（TR 1 波和 TR 2 波）和 1 條人工波（RGB），其相應(yīng)的加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比如圖 3 所示。其中，天然波選自美國(guó)太平洋地震研究中心（PEER）數(shù)據(jù)庫(kù)，人工波采用 SIMQKE_GR 軟件生成［5-6］。在一階周期點(diǎn)（0.678 s，3.731 s）各條時(shí)程曲線的加速度反應(yīng)譜值與《抗規(guī)》反應(yīng)譜值最大相對(duì)誤差不超過 35 %，平均誤差不超過 20 %。采用上述 3 條地震波對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的時(shí)程分析，其最大基底剪力與反應(yīng)譜分析的基底剪力對(duì)比（見表3），均符合要求。

表3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力

2.4 隔震效果分析

2.4.1 減震系數(shù)計(jì)算

在中震作用下，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的層剪力進(jìn)行計(jì)算分析，如表 4 和圖 4 所示。可以看出，隔震結(jié)構(gòu)的X向和Y向地震剪力最大值分別為非隔震結(jié)構(gòu)的0.3 7 倍和 0.2 4 倍，本結(jié)構(gòu)的減震系數(shù)可以取 0.37（＜0.40），滿足《抗規(guī)》要求，即：上部結(jié)構(gòu)水平地震作用和抗震構(gòu)造措施均可以降低一度進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。因此，本結(jié)構(gòu)可僅進(jìn)行隔震層的設(shè)計(jì)和施工。

2.4.2 罕遇地震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

罕遇地震作用下，隔震層的隔震支座最大位移為 376 mm，小于最小直徑隔震支座的 0.55 倍（800×0.55=440 mm）和 3 倍支座厚度（157×3=471 mm）的較小值，滿足水平變形要求。罕遇地震作用下，隔震支座的極大面壓為 23.77 MPa，未超過 30 MPa 限值，極小面壓為 1.72 MPa，支座未產(chǎn)生拉應(yīng)力，滿足《抗規(guī)》要求。

表4 非隔震和隔震結(jié)構(gòu)中震下各層剪力比較 104 kN

圖4 隔震前后結(jié)構(gòu)在中震作用下層剪力比較

此外，罕遇地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)的各層層間位移角大幅減小（見圖 5），最大層間側(cè)移角為 1/792，上部結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)（《抗規(guī)》規(guī)定為 1/800），結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著提高。

圖5 罕遇地震作用下，隔震前后結(jié)構(gòu)層間位移角比較

3 結(jié)論

1）采用隔震加固技術(shù)后，地震作用大幅度降低，中震下基底剪力降低約 60 %；

2）罕遇地震下，隔震結(jié)構(gòu)的各層最大層間位移角為加固前結(jié)構(gòu)的 15 %～37 %（主體部分），且上部結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，能夠有效保護(hù)醫(yī)療設(shè)備和人員的安全，使醫(yī)院的醫(yī)療救治能力得到保障，并充分發(fā)揮醫(yī)療機(jī)構(gòu)的應(yīng)急救災(zāi)作用。

3）較傳統(tǒng)抗震技術(shù)，施工周期短，僅對(duì)一層的部分功能有影響，對(duì)建筑整體的使用功能、外觀、內(nèi)部裝飾等影響較小。對(duì)于不能停業(yè)改造的醫(yī)療建筑而言，采用隔震加固技術(shù)方案具有較好的經(jīng)濟(jì)性。