某市医院隔震结构设计

孙 兆 阳

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

0 引言

随着中国经济的发展，近十几年来中国的建筑行业在不断升温，人民对住所和公用建筑的需求量逐渐增大。在这个快速建设的过程中，建筑物本身的安全性是最重要的一环。近十年来，我国经历了数次6级以上大地震，不同的建筑物因为其本身的抗震能力差异，在真正地震来临时产生的破坏天差地别。这几次地震中，隔震建筑物破坏程度均较小，绝大部分展现出了优良的抗震能力，因此，国内很多地区开始推广隔震建筑，在以下内容中将以实例介绍某市隔震建筑的初步设计。

1 项目概况

本项目为中国西部地区某市人民医院。医院分为两个结构单体：门诊楼，地上5层，首层层高5.1 m，其余各层层高4.5 m，单层地下室，层高5.1 m，双方向柱距为8.1 m，综合楼，地上16层，首层～4层层高同门诊楼，含1层设备层，层高2.2 m，5层～顶层层高3.7 m，2层地下室，层高均为5.1 m，双方向柱距为8.1 m，设计时会根据实际需要布置剪力墙。两个结构单体结构类型为钢筋混凝土结构。

抗震设防烈度：8度0.20g，地震分组为第二组，场地土类别：Ⅱ类。抗震设防类别：乙类；结构重要性系数：1.1；场地为平坦地面，各层土质均匀，无液化土、湿陷性土、膨胀土等不利因素；地下水水位低于地下室底板最低点，不考虑抗浮设计;基本风压：0.30 kN/m2。

2 设计过程

2.1 隔震概念设计

隔震设计中，概念设计不可或缺。概念不合理，后续设计将会遇到很多困难，所以在隔震结构设计时，应首先进行概念设计。

本项目中两个建筑单体分别为多层和高层建筑，均为高烈度区乙类建筑，因此，拟对建筑物采用隔震设计。

根据《建筑抗震设计规范》(2016年版)(后文中简称《抗规》)中12.1.3，进行隔震设计的建筑高宽比宜小于4。两个结构单体中，门诊楼总高度为23.1 m，最小宽度72.9 m，高宽比为0.32，远小于4；综合楼总高为69.7 m，最小宽度为24.3 m，高宽比为2.90，虽未接近高宽比限值但高宽比较大。经方案比较，门诊楼进行隔震设计，综合楼进行抗震设计。

门诊楼地下1层和首层层高均为5.1 m，选择隔震位置时，设计人员考虑到，如采用基础隔震，地下室及地上部分整体应与土完全脱离，隔震沟采用5.1 m高悬臂式挡土墙并不经济；如采用上部隔震，建筑物首层层高较高，作为隔震层下部梁柱截面较大，不仅经济性不好而且影响建筑使用空间；如采用地下室顶板隔震，地下部分因为有土体约束，梁柱截面适中，隔震沟高度适宜，优势较为明显。综合对比门诊楼采用地下室顶板隔震。

门诊楼采用隔震设计后，预估布置隔震支座后水平向减震系数可处于0.30～0.40之间，根据《抗规》12.2.7条文说明中的表格，水平向减震系数与抗震设防烈度的对应关系，隔震层上部结构可按设防烈度降低1度进行抗震设计，门诊楼地上结构设计时抗震设防烈度采用7度0.10g，根据设计经验，23.1 m建筑物在该烈度下采用框架结构比较经济合理。

门诊楼非高层建筑，且当地基本风压不大，风荷载对建筑产生的水平力微乎其微，本结构单体完全符合《抗规》12.1.3第三条中要求。

综上所述，本项目仅对门诊楼进行隔震设计，隔震位置为地下室顶板，隔震层下部结构(后文中简称下部结构)按照原抗震设防烈度设计，隔震层上部结构(后文中简称上部结构)按照降低1度抗震设防烈度设计。

2.2 水平向减震系数确定

隔震设计中，水平向减震系数β尤为重要，它直接关系到上部结构的隔震效果，从而影响结构设计。根据《抗规》12.2.5，公式:

αmax1=βαmax/Ψ。

水平向减震系数β可以控制上部结构的水平地震影响系数，它是通过隔震支座的布置计算出来的。

结构预期水平向减震系数处于0.30～0.40之间。

根据《抗规》12.2.4对于水平向减震系数采取100%剪切变形下的等效刚度和等效粘滞阻尼比。造成100%剪切变形对应的水平力约符合中震下结构水平力，在计算中，选用中震下时程分析来确定水平向减震系数(α=0.45)。首先建立非隔震下的计算模型，隔震层高度输入2.2 m，隔震层的柱底设为铰接，计算出结构周期约为1.0 s；然后建立隔震下的计算模型，隔震层高度输入2.2 m，隔震支座直径先按照轴压比限制12 MPa确定，如实输入每个隔震垫的水平刚度，屈服力等，计算出结构周期约为3.5 s。将选取的5条天然波和2条人工波代入两个模型进行中震下时程分析，取波的平均值对比两个模型隔震层上部的各层剪力。将隔震模型中各层的剪力Vj1除以非隔震模型中对应各层的剪力Vj，得到各层的减震系数，所有减震系数取最大值，就得到了水平向减震系数β。经计算得，本结构的β=0.28，实际设计时取β=0.40作为安全储备。

2.3 上部结构设计

上部结构为多层建筑。上部结构在设计时，按照嵌固部位为隔震支座顶端，常规抗震设计，抗震设防烈度为7度0.1g，相应抗震措施按原8度时降低1度，抗震等级为二级；根据《抗规》12.2.7，与竖向地震有关的抗震措施不降低，轴压比仍按抗震等级为一级时框架结构轴压比0.65取限值。根据《抗规》12.2.8隔震层顶板板厚最小值为160 mm，且梁板刚度和承载力宜大于一般楼层梁板刚度，设计时首层地面梁板截面进行了人为放大。

设计时将隔震模型输入水平地震影响系数0.16，水平向减震系数修正值β/Ψ=0.5，框架结构抗震等级为二级，同时轴压比上限减少0.10。

经设计计算，上部结构最大柱截面为700×700，底层柱截面600×700，梁主要截面为350×700，300×650，隔震层顶板梁截面为400×1 000，板厚210 mm混凝土强度等级：柱C50～C40，梁板C30。

2.4 下部结构设计

下部结构为单层地下室。除必须满足土压力等静力作用下承载能力外，下部结构还需按照《抗规》12.2.9进行设防地震(中震)下抗震承载力和罕遇地震(大震)下抗剪承载力验算。隔震层下部结构全部处于地下，不验算罕遇地震下层间位移角。

地下室除局部有汽车入口外，均设置钢筋混凝土外墙，嵌固刚度比满足规范要求。设计时首先在隔震模型中将水平地震影响系数输入为0.45，根据软件验算中震下下部结构的梁柱截面的承载力，构件抗弯和抗剪均达到不屈服水平；将模型保存，在备份隔震模型中将水平地震影响系数输入为0.90，验算大震下下部结构的梁柱截面抗剪承载力，混凝土构件抗剪截面满足要求。

经设计计算，地下室中柱截面均为800×800，梁截面为400×900，与地下室外墙相连的柱截面为700×700，地下室外墙厚度350 mm，混凝土强度等级：C50。

2.5 隔震层设计

隔震层层高设计为2.2 m，分为隔震上下支墩和橡胶支座，根据设计经验，隔震支墩一般为1 000 mm×1 000 mm,则可满足常规设计要求，本阶段不进一步计算。

橡胶支座设计时进行四个步骤。首先，总屈服力不小于非地震作用下产生的总水平力；其次将橡胶支座数据输入到小震模型下静力计算，验算其最大压应力不大于12 MPa，得出橡胶支座大致尺寸；再次将橡胶支座数据输入到大震(α=0.90)模型下时程分析，验算其最大压应力不大于24 MPa，最大拉应力不大于1 MPa，水平位移不大于0.55倍最小支座直径和3倍内部橡胶总厚度二者的较小值(本次设计为330 mm)；最后将设计完毕的橡胶支座数据重新代入到中震模型中反算水平向减震系数，验算β值，保证其仍不大于0.40。经计算，橡胶支座共88个，其中15个含有铅芯，支座直径为600，700，800。

2.6 基础设计

地基基础设计等级为乙级。隔震支座对于沉降差异较为敏感，在含有地下室的建筑中，优先考虑整体性好的筏形基础，门诊楼采用了平板式筏形基础加柱墩的基础形式，板厚为500 mm，地基承载力较为富余，进行了地基变形验算，沉降差控制在15 mm以内。

因未参与隔震，地基基础抗震设计仍按照原抗震设防烈度8度0.20g进行，设计方法同一般抗震建筑，此处不再赘述。

3 结语

以上内容为门诊楼的隔震设计，在实际项目中，上述内容已基本满足初步设计的深度要求。建筑隔震作为日趋成熟的技术，将会越来越多地应用于建筑中，望在今后的设计中，初次接触隔震设计的读者可根据本文得到一些启发。