某医院实验楼隔震结构设计

1 工程概况

本项目为潍坊市妇女儿童健康中心，位于山东省潍坊市，包括门诊医技楼、病房楼、华大基因实验楼3 个单体建筑，总建筑面积为166 600 m2，本文仅介绍华大基因实验楼。 华大基因实验楼地下2 层，地上15 层，东西长92.0 m，南北宽22.1 m，地上建筑面积30 200 m2，该楼室内外高差0.45 m，从室外地坪至主要屋面的高度为59.25 m，高宽比小于4.0。 由于本工程抗震设防烈度较高，常规抗震结构较难实现，结合《山东省住房和城乡建设厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知》，本工程采用隔震设计，隔震层设置在地下室顶板。 建筑效果图如图1 所示。

图1 建筑效果图

本工程结构设计使用年限为50 年，结构设计安全等级为一级，结构重要性系数γ0＝1.1，地基基础的设计等级为甲级。抗震设防类别为乙类[1]，抗震设防烈度为8 度（0.30g），设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，规范反应谱特征周期为Tg=0.40 s。基本风压值为w0=0.40 kN/m2，承载力设计时取基本风压的1.1 倍，地面粗糙度类别按B 类。 上部结构形式为框架-剪力墙结构，主楼基础采用筏板基础，图2 为首层结构布置图。 柱截面为900 mm×900 mm、800 mm×800 mm，主梁截面为400 mm×750 mm、400 mm×850 mm， 次梁截面为250 mm×600mm、200mm×500mm，剪力墙厚为400mm、300mm、250mm，隔震层楼板厚度为180 mm。

图2 结构首层平面布置

2 隔震支座选型与布置

隔震结构作为一种有效的被动控制方式， 通过延长整个结构体系的自振周期，使其远离地震地面运动的卓越周期、增加结构的阻尼， 从而显著地降低输入上部结构的水平地震作用。 根据结构竖向构件布置、荷载分布及刚度要求，本工程选用900~1 200 mm 多种直径的普通和铅芯建筑橡胶隔震支座，隔震支座的性能参数参见表1，隔震支座的布置见图3 所示。

表1 橡胶隔震支座性能参数

图3 隔震支座布置

3 结构分析

为建立可靠的分析计算模型、 真实地反映结构的动力特性及比较准确地分析结构在弹性和塑性阶段的动力响应，采用ETABS 有限元软件建立了隔震结构和非隔震结构的三维计算模型，梁、柱构件采用空间杆系单元，剪力墙采用壳单元，建成后的整体模型如图4 所示。

图4 结构整体有限元模型

3.1 模型对比

为验证模型的准确性， 分别利用ETABS 软件和盈建科（YJK）软件建立非隔震计算模型，将两软件计算结果进行对比。结构质量对比结果见表2，结构周期对比见表3。从表2 和表3 中可以得到，整个结构的总质量、荷载总量及自振周期基本相符，可以作为非隔震结构的动力响应计算的基准模型，也可以作为后续隔震分析的初始模型。

表2 非隔震结构楼层质量分布

表3 非隔震结构周期对比

3.2 结构特性

隔震结构的动力特性会随着隔震支座剪应变的变化而不断变化。 利用有限元分析软件ETABS 建立非隔震结构和隔震结构的三维有限元模型，并对其进行了结构动力特性分析。 其中前6 阶周期结果列于表4。从表4 中可以看出，隔震体系的周期较原结构增大很多，基本周期由原来的1.29 s 延长至3.84 s。分析结果表明所建立的结构计算模型能够准确反映实际结构的质量分布和刚度分布，可以作为结构动力响应分析的依据。

表4 结构周期

3.3 地震动选取

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）[2]中对隔震结构设计的有关规定， 本工程选取两组天然波和一组人工波进行动力时程计算分析， 所选取的时程曲线平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符， 各地震波结构时程分析下基底剪力满足规范对地震波的要求，所以各时程曲线的选取是合理的。

3.4 时程分析结果

利用ETABS 非线性分析软件进行时程分析，重点分析了非隔震结构和隔震结构在8 度（0.30g）设防地震作用下的地震响应。设防地震下时程曲线地震峰值加速度为300 cm/s2。限于篇幅并考虑隔震前后地震剪力和倾覆力矩的不利情况， 表5仅给出了隔震结构和非隔震结构倾覆力矩的对比结果。

表5 隔震和非隔震结构地震倾覆力矩对比×104kN·m

根据GB 50011—2010 《建筑抗震设计规范》（2016 年版），隔震层以上结构地震作用计算的水平地震影响系数αmaxl最大值可按式（1）计算：

式中，αmax为非隔震结构的水平地震影响系数最大值；β 为水平向减震系数，为隔震与非隔震的各层倾覆力矩的最大比值并与各层层间剪力的最大比值相比取大值；φ 为调整系数。

根据以上计算结果，X 向与Y 向地震水平向减震系数最大值为0.336， 隔震后结构的水平地震影响系数最大值αmaxl=βαmax/φ=0.10，结构计算时取地震影响系数最大值为0.12。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）的要求，构造措施可按降低一度执行，但医院为乙类建筑，抗震措施需按提高一度执行，即本工程抗震措施按8 度执行。

4 动力弹塑性时程分析

分析采用大型通用有限元分析软件ABAQUS， 为便于与弹性分析结果对比， 弹塑性分析中仍选用弹性分析所采用的两组天然波和一组人工波， 地震动输入三方向分量采用1∶0.85∶0.65 的比例进行输入，地震波峰值加速度取510 cm/s2。

4.1 隔震层位移计算

隔震层弹塑性最大位移见表6 所示。 隔震结构在罕遇地震作用下，隔震层上部结构部分构件会出现塑性铰，消耗一部分地震作用，整体上降低了隔震结构的地震反应，因而隔震层位移会比上部结构弹性计算的隔震层位移量小。 从结果看，结构隔震层最大弹塑性位移为445 mm，均未超过隔震支座的位移限制min（0.55D，3t）=495 mm，其中，D 为隔震支座的有效直径；t 为隔震支座内部橡胶的总厚度，隔震支座稳定性满足要求。 按照规范要求水平隔离空隙不小于1.2 倍罕遇地震时隔震支座最大位移的规定，结构隔震沟净宽取不小于600 mm。

表6 结构隔震层弹塑性最大位移mm

4.2 层间位移角分析

罕遇地震作用下上部结构层间位移角分布如图5 所示。结构在罕遇地震作用下最大弹塑性层间位移角为1/458，远小于规范限值1/100，结构本身安全可靠，在罕遇地震作用后，结构基本做到可继续适用，符合对医疗建筑的抗震设防要求。

图5 结构层间位移角分布

4.3 隔震层耗能情况

罕遇地震作用下，结构在人工波作用下位移反应最大，图6给出了隔震层其中一隔震支座在上述地震波作用下两向荷载-位移滞回曲线，图形呈现明显的平行四边形运动规律。 隔震层在罕遇地震下， 结构隔震层最大水平位移为445 mm， 对于LRB900 而言，结构最大水平位移相当于247%的剪应变，均小于0.55D（0.55D=495 mm）和300%的剪应变（300%γ=540 mm），说明隔震层在罕遇地震作用下具有较高的可靠性和稳定性。

图6 荷载- 位移滞回曲线

5 隔震层受力分析

5.1 隔震支座应力分析

隔震支座的面压分长期面压和短期面压控制， 长期面压考虑重力荷载代表值的作用， 极值面压则需要考虑重力荷载代表值、 罕遇地震下水平地震作用和竖向地震作用。 根据计算，长期面压最大值为12 469 kN（10.88 MPa），极值面压最大值为37 701 kN（33.4 MPa，大震弹塑性分析结果，且仅有一个支座极限面压力超30 MPa)，极值面压最小值为2 560 kN（压应力为4.02 MPa， 大震弹性分析结果）， 均满足我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）中12.2.4 条“橡胶支座在罕遇地震的水平和竖向地震同时作用下， 拉应力不应大于1.0 MPa”，说明隔震层具有足够的稳定性和安全性。

5.2 隔震层水平恢复力特性

隔震层必须满足风荷载和微震动的要求， 由分析模型可以看出风荷载产生的基底剪力（Y 向，18 172 kN）小于隔震层屈服力（21 117 kN），满足CECS 126:2001《叠层橡胶支座隔震技术规程》[3]的要求， 同时小于结构自重的10%（0.1×569 400=56 940 kN），满足规范要求。

6 结论

1）位于抗震设防烈度8 度区的医疗建筑，采用隔震设计后， 结构的周期明显延长， 结构的水平向减震系数最大值为0.336，结构地震作用可按降低一度（7 度，0.15g）进行计算，抗震措施按8 度执行。

2）所选用的隔震支座布置合理，能够满足罕遇地震作用下的支座位移、支座压应力和拉应力限值要求，同时满足抗风验算，符合规范相应要求。