某醫(yī)院實(shí)驗(yàn)樓隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

本項(xiàng)目為濰坊市婦女兒童健康中心，位于山東省濰坊市，包括門診醫(yī)技樓、病房樓、華大基因?qū)嶒?yàn)樓3 個(gè)單體建筑，總建筑面積為166 600 m2，本文僅介紹華大基因?qū)嶒?yàn)樓。 華大基因?qū)嶒?yàn)樓地下2 層，地上15 層，東西長(zhǎng)92.0 m，南北寬22.1 m，地上建筑面積30 200 m2，該樓室內(nèi)外高差0.45 m，從室外地坪至主要屋面的高度為59.25 m，高寬比小于4.0。 由于本工程抗震設(shè)防烈度較高，常規(guī)抗震結(jié)構(gòu)較難實(shí)現(xiàn)，結(jié)合《山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知》，本工程采用隔震設(shè)計(jì)，隔震層設(shè)置在地下室頂板。 建筑效果圖如圖1 所示。

圖1 建筑效果圖

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1.1，地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。抗震設(shè)防類別為乙類[1]，抗震設(shè)防烈度為8 度（0.30g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，規(guī)范反應(yīng)譜特征周期為Tg=0.40 s。基本風(fēng)壓值為w0=0.40 kN/m2，承載力設(shè)計(jì)時(shí)取基本風(fēng)壓的1.1 倍，地面粗糙度類別按B 類。 上部結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，主樓基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，圖2 為首層結(jié)構(gòu)布置圖。 柱截面為900 mm×900 mm、800 mm×800 mm，主梁截面為400 mm×750 mm、400 mm×850 mm， 次梁截面為250 mm×600mm、200mm×500mm，剪力墻厚為400mm、300mm、250mm，隔震層樓板厚度為180 mm。

圖2 結(jié)構(gòu)首層平面布置

2 隔震支座選型與布置

隔震結(jié)構(gòu)作為一種有效的被動(dòng)控制方式， 通過(guò)延長(zhǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，使其遠(yuǎn)離地震地面運(yùn)動(dòng)的卓越周期、增加結(jié)構(gòu)的阻尼， 從而顯著地降低輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用。 根據(jù)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置、荷載分布及剛度要求，本工程選用900~1 200 mm 多種直徑的普通和鉛芯建筑橡膠隔震支座，隔震支座的性能參數(shù)參見(jiàn)表1，隔震支座的布置見(jiàn)圖3 所示。

表1 橡膠隔震支座性能參數(shù)

圖3 隔震支座布置

3 結(jié)構(gòu)分析

為建立可靠的分析計(jì)算模型、 真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及比較準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)在彈性和塑性階段的動(dòng)力響應(yīng)，采用ETABS 有限元軟件建立了隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型，梁、柱構(gòu)件采用空間桿系單元，剪力墻采用殼單元，建成后的整體模型如圖4 所示。

圖4 結(jié)構(gòu)整體有限元模型

3.1 模型對(duì)比

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性， 分別利用ETABS 軟件和盈建科（YJK）軟件建立非隔震計(jì)算模型，將兩軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)構(gòu)周期對(duì)比見(jiàn)表3。從表2 和表3 中可以得到，整個(gè)結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量、荷載總量及自振周期基本相符，可以作為非隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算的基準(zhǔn)模型，也可以作為后續(xù)隔震分析的初始模型。

表2 非隔震結(jié)構(gòu)樓層質(zhì)量分布

表3 非隔震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

3.2 結(jié)構(gòu)特性

隔震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性會(huì)隨著隔震支座剪應(yīng)變的變化而不斷變化。 利用有限元分析軟件ETABS 建立非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析。 其中前6 階周期結(jié)果列于表4。從表4 中可以看出，隔震體系的周期較原結(jié)構(gòu)增大很多，基本周期由原來(lái)的1.29 s 延長(zhǎng)至3.84 s。分析結(jié)果表明所建立的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和剛度分布，可以作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的依據(jù)。

表4 結(jié)構(gòu)周期

3.3 地震動(dòng)選取

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）[2]中對(duì)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定， 本工程選取兩組天然波和一組人工波進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程計(jì)算分析， 所選取的時(shí)程曲線平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符， 各地震波結(jié)構(gòu)時(shí)程分析下基底剪力滿足規(guī)范對(duì)地震波的要求，所以各時(shí)程曲線的選取是合理的。

3.4 時(shí)程分析結(jié)果

利用ETABS 非線性分析軟件進(jìn)行時(shí)程分析，重點(diǎn)分析了非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)在8 度（0.30g）設(shè)防地震作用下的地震響應(yīng)。設(shè)防地震下時(shí)程曲線地震峰值加速度為300 cm/s2。限于篇幅并考慮隔震前后地震剪力和傾覆力矩的不利情況， 表5僅給出了隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)傾覆力矩的對(duì)比結(jié)果。

表5 隔震和非隔震結(jié)構(gòu)地震傾覆力矩對(duì)比×104kN·m

根據(jù)GB 50011—2010 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版），隔震層以上結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算的水平地震影響系數(shù)αmaxl最大值可按式（1）計(jì)算：

式中，αmax為非隔震結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)最大值；β 為水平向減震系數(shù)，為隔震與非隔震的各層傾覆力矩的最大比值并與各層層間剪力的最大比值相比取大值；φ 為調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，X 向與Y 向地震水平向減震系數(shù)最大值為0.336， 隔震后結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)最大值αmaxl=βαmax/φ=0.10，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)取地震影響系數(shù)最大值為0.12。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）的要求，構(gòu)造措施可按降低一度執(zhí)行，但醫(yī)院為乙類建筑，抗震措施需按提高一度執(zhí)行，即本工程抗震措施按8 度執(zhí)行。

4 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

分析采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS， 為便于與彈性分析結(jié)果對(duì)比， 彈塑性分析中仍選用彈性分析所采用的兩組天然波和一組人工波， 地震動(dòng)輸入三方向分量采用1∶0.85∶0.65 的比例進(jìn)行輸入，地震波峰值加速度取510 cm/s2。

4.1 隔震層位移計(jì)算

隔震層彈塑性最大位移見(jiàn)表6 所示。 隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，隔震層上部結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，消耗一部分地震作用，整體上降低了隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，因而隔震層位移會(huì)比上部結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算的隔震層位移量小。 從結(jié)果看，結(jié)構(gòu)隔震層最大彈塑性位移為445 mm，均未超過(guò)隔震支座的位移限制min（0.55D，3t）=495 mm，其中，D 為隔震支座的有效直徑；t 為隔震支座內(nèi)部橡膠的總厚度，隔震支座穩(wěn)定性滿足要求。 按照規(guī)范要求水平隔離空隙不小于1.2 倍罕遇地震時(shí)隔震支座最大位移的規(guī)定，結(jié)構(gòu)隔震溝凈寬取不小于600 mm。

表6 結(jié)構(gòu)隔震層彈塑性最大位移mm

4.2 層間位移角分析

罕遇地震作用下上部結(jié)構(gòu)層間位移角分布如圖5 所示。結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下最大彈塑性層間位移角為1/458，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/100，結(jié)構(gòu)本身安全可靠，在罕遇地震作用后，結(jié)構(gòu)基本做到可繼續(xù)適用，符合對(duì)醫(yī)療建筑的抗震設(shè)防要求。

圖5 結(jié)構(gòu)層間位移角分布

4.3 隔震層耗能情況

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在人工波作用下位移反應(yīng)最大，圖6給出了隔震層其中一隔震支座在上述地震波作用下兩向荷載-位移滯回曲線，圖形呈現(xiàn)明顯的平行四邊形運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 隔震層在罕遇地震下， 結(jié)構(gòu)隔震層最大水平位移為445 mm， 對(duì)于LRB900 而言，結(jié)構(gòu)最大水平位移相當(dāng)于247%的剪應(yīng)變，均小于0.55D（0.55D=495 mm）和300%的剪應(yīng)變（300%γ=540 mm），說(shuō)明隔震層在罕遇地震作用下具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

圖6 荷載- 位移滯回曲線

5 隔震層受力分析

5.1 隔震支座應(yīng)力分析

隔震支座的面壓分長(zhǎng)期面壓和短期面壓控制， 長(zhǎng)期面壓考慮重力荷載代表值的作用， 極值面壓則需要考慮重力荷載代表值、 罕遇地震下水平地震作用和豎向地震作用。 根據(jù)計(jì)算，長(zhǎng)期面壓最大值為12 469 kN（10.88 MPa），極值面壓最大值為37 701 kN（33.4 MPa，大震彈塑性分析結(jié)果，且僅有一個(gè)支座極限面壓力超30 MPa)，極值面壓最小值為2 560 kN（壓應(yīng)力為4.02 MPa， 大震彈性分析結(jié)果）， 均滿足我國(guó)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）中12.2.4 條“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”，說(shuō)明隔震層具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。

5.2 隔震層水平恢復(fù)力特性

隔震層必須滿足風(fēng)荷載和微震動(dòng)的要求， 由分析模型可以看出風(fēng)荷載產(chǎn)生的基底剪力（Y 向，18 172 kN）小于隔震層屈服力（21 117 kN），滿足CECS 126:2001《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》[3]的要求， 同時(shí)小于結(jié)構(gòu)自重的10%（0.1×569 400=56 940 kN），滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

1）位于抗震設(shè)防烈度8 度區(qū)的醫(yī)療建筑，采用隔震設(shè)計(jì)后， 結(jié)構(gòu)的周期明顯延長(zhǎng)， 結(jié)構(gòu)的水平向減震系數(shù)最大值為0.336，結(jié)構(gòu)地震作用可按降低一度（7 度，0.15g）進(jìn)行計(jì)算，抗震措施按8 度執(zhí)行。

2）所選用的隔震支座布置合理，能夠滿足罕遇地震作用下的支座位移、支座壓應(yīng)力和拉應(yīng)力限值要求，同時(shí)滿足抗風(fēng)驗(yàn)算，符合規(guī)范相應(yīng)要求。