云南省疾病預防控制中心生物安全樓隔震設計

徐莉

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

1 工程概況

云南省疾病預防控制中心位于昆明市呈貢區。生物安全樓主要功能有菌種庫及P2、P3實驗室。生物安全樓地上4層，局部3層，存在局部錯層結構，無地下室，結構房屋高度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 設計參數

2.1 抗震設防分類

依據GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》（以下簡稱《分類標準》）[1]第4.0.6條“承擔研究、中試和存放劇毒的高危險傳染病病毒任務的疾病預防與控制中心的建筑……，生物安全樓應劃分為特殊設防類。”

2.2 地震安全性評價報告

2.2.1 安評報告參數

依據《分類標準》第3.0.3條“特殊設防類，應按高于本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施。同時，應按批準的地震安全性評價的結果且高于本地區抗震設防烈度的要求確定其地震作用”。依據《云南省區域性國際疾病預防控制中心建設項目生物安全樓工程場地地震安全性評價報告》，50年超越概率值63%、10%、2%對應的特征周期Tg分別為0.60 s、0.70 s、0.90 s；水平地震影響系數最大值αmax分別為0.232、0.687、1.206。

2.2.2 安評參數與國標參數對比結果

本工程抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度峰值為0.2 g，設計地震分組第三組，Ⅲ類場地，場地特征周期0.65 s。在主要周期點上安評報告對比規范反應譜可知，本工程設防烈度按9度（0.40 g）參數，地震作用取包絡，即多遇地震和設防地震時按9度（0.4 g）取用，罕遇地震時按項目《地震安全性評價報告》結果取用，在罕遇地震作用下分析時，地震作用放大8%。

2.3 結構的安全等級、設計工作年限及抗震設防標準

本工程采用GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）（以下簡稱《設計規范》）[2]第12章分部設計法的隔震設計。結構的安全等級、設計工作年限及抗震設防標準如表1所示。

表1 結構的安全等級、設計工作年限及抗震設防標準

3 隔震結構抗震分析

3.1 多遇地震分析

采用YJK軟件對隔震層以上結構進行小震彈性分析。生物安全樓結構體系為鋼筋混凝土框架結構，平面規則，豎向局部存在個別構件錯層，框架抗震等級為一級，錯層柱抗震等級提高為特一級。周期折減系數0.7，考慮雙向地震扭轉效應、偶然偏心的影響。計算結果表明，結構第一扭轉周期比第一平動周期為0.86 s，兩方向層間位移角最大值為1/560，層間側向剛度比＞1.0，不存在薄弱層。各項小震計算指標均符合規范要求。

3.2 地震波的選取

本工程同時采用ETABS模型建立隔震與非隔震結構模型，并進行罕遇地震驗算。選取了7條時程曲線，5條天然波（T1~T5）和2條人工波（R1和R2），7條時程反應譜和規范反應譜基底剪力對比結果如表2所示，滿足每條時程計算的結構底部剪力應不小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值應不小于振型分解反應譜法計算結果的80%的限值。

3.3 隔震層設計

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個支座，為增強結構的抗扭能力，周邊布置鉛芯橡膠支座LRB900，中部結合上部結構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 隔震支座編號及布置圖

本工程共使用了30個支座，橡膠支座符合《設計規范》的要求：同一隔震層內各個橡膠隔震支座的豎向壓應力宜均勻，豎向平均應力不應超過甲類建筑的限值10 MPa；在罕遇地震作用下，隔震支座不宜出現拉應力，當少數隔震支座出現拉應力時，其拉應力不應大于1 MPa；在罕遇地震作用下，隔震支座的水平位移限值應小于其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值。

表2 非隔震結構基底剪力

3.3.2 驗算隔震結構的偏心率

隔震層剛度中心與質量中心宜重合，控制隔震結構的偏心率設防烈度地震作用下不宜大于3%。本工程兩個方向偏心率分別為：X方向1.04%，Y方向1.08%，滿足規范要求。

3.3.3 驗算隔震支座壓應力

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

3.4 設防地震分析

3.4.1 隔震前后周期比較

設防地震作用下，隔震結構第一周期T1=2.676 s，隔震前結構第一周期T′1=0.835 s，結構的周期延長約3倍，地震效應明顯減少。

3.4.2 水平向減震系數

隔震層以上結構的水平地震作用可根據水平向減震系數確定。本工程為多層結構，其層間剪力比值的最大值為β=0.232，根據《設計規范》第12.2.5條，隔震后水平地震影響系數最大值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最大值；αmax為非隔震的水平地震影響系數最大值；β為水平向減震系數；ψ為調整系數；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，相應減少0.05）。根據條文說明12.2.5條“表7水平向減震系數與隔震后結構水平地震作用所對應烈度的分檔”，按水平向減震系數0.232＜0.27，上部結構設計隔震后水平地震影響系數最大值取為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《設計規范》第12.2.9條規定：隔震層的支墩、支柱及相連構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。罕遇地震下驗算隔震層的位移，同時得到軸力、剪力用于支墩設計,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 隔震支座拉應力驗算

根據《設計規范》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作用下，拉應力不應大于1.0 MPa。經計算，罕遇地震下僅個別支座存在拉應力，5號支座（LRB900-Ⅱ）產生的拉應力0.04 MPa，隔震支座拉應力滿足規范要求。

3.5.4 隔震支座支墩設計

下支墩設計內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，標高單位：m）

4 隔震構造

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

5 結論

1）高烈度區的特殊設防類建筑，優先考慮隔震設計，并合理選用設計參數。

2）采用隔震層以上按照多遇地震作用下的整體模型計算，各項指標均滿足現行規范的限值要求。針對本工程不規則項-局部錯層，采取了提高錯層柱的抗震等級的措施。

3）采用隔震設計，合理布置鉛芯支座和天然支座，有效延長結構周期，實現減小地震作用的目的。同時，按規范要求驗算隔震層構件及隔震結構指標，均滿足規范要求。