云南省某医院门急诊医技综合楼隔震设计

云南省某医院门急诊医技综合楼隔震设计

覃光雄1，秦玮乾1，刘海兵2

（1昆明市建筑设计研究院股份有限公司，昆明，650000；2云南慧港投资有限公司，昆明，650000）

[摘要]  云南省某医院门急诊医技综合楼建筑高度为19.35m，结构体系为钢筋混凝土框架结构，在地下室与上部结构之间设置隔震层。采用PKPM（GZ模块）及ETBAS对该结构进行设防地震、罕遇地震作用计算，采取相应隔震构造措施，从而确保结构在发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。结果表明，主体结构能够满足各项设计性能指标要求。

[关键词]  隔震设计；橡胶支座；弹塑性

Seismic isolation design of the outpatient and emergency medical technology complex building in a hospital in Yunnan

[Abstract]  The building height of the outpatient and emergency medical technology complex which locatesat a Hospital in Yunnan Province is 19.35m. The structural system of the building is a reinforced concrete frame structure, and a seismically isolated interface is set between the basement and the superstructure. PKPM (GZ module) and ETBAS are used to calculate the effect of fortification earthquake and rare earthquake on the structure, and corresponding isolation measures are taken to ensure that the structure can meet the normal use requirements in the event of a fortification earthquake in the area. The results show that the main structure can meet the requirements of various design performance indicators.

[Key words]  seismic isolation design; rubber isolator; elastic-plastic

1   工程概况

本工程为综合医院医疗建筑，位于云南省昆明空港经济区，地上为4层门诊、急诊、医技用房，地下为2层人防地下室，地下室与上部结构之间设置隔震层（层高2.15m），建筑效果图见图1。结构设计使用年限为50年，抗震设防类别为重点设防类，结构安全等级为一级，结构重要性系数取1.1。抗震设防烈度为8度（0.3g），场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45s，设计地震分组为第三组。底部平面尺寸为117.4m×101.3m，建筑高度为19.35m，高宽比为0.19，采用钢筋混凝土结构框架结构，主要柱跨为7.5m、8.4m、9.3m，结构阻尼比取0.05。

根据《建设工程抗震管理条例》、云南省人民政府令202号文及《云南省隔震减震建筑工程促进实施细则》（第54号）的相关要求，本工程采用隔震设计方案，隔震支座采用橡胶隔震支座，以保证结构在发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。

2   抗震设防目标

为满足本工程结构在发生本区域设防地震时能够满足正常使用的要求，根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）[1]及《建筑隔震设计标准》（GB/T 51408-2021）[2]（简称隔标）的相关要求，结合本工程特点，制定了相应的结构构件抗震设防性能目标（表1）。

表1  结构构件抗震设防性能目标

注：抗弯计算时，对钢筋混凝土梁支座或节点边缘截面考虑钢筋的超强系数1.25。

3   隔震设计

3.1 计算分析

本工程采用PKPM（GZ模块）及ETABS进行设防地震及罕遇地震作用下隔震结构整体分析计算，其中PKPM（GZ模块）地震作用计算方法为复振型分解反应谱法（

CCQC），ETABS地震作用计算方法为时程分析法。以ETABS设防地震楼层剪力对比PKPM整体分析模型设防地震作用下楼层剪力，与PKPM（GZ模块）执行《隔标》的整体分析模型计算结果进行最终复核和修正，以此作为上部结构构件设计及配筋设计的主控模型。由于复振型分解反应谱法（CCQC）无法考虑隔震支座拉压刚度的差异性，故采用ETABS进行隔震支座相关指标的验算。

3.2 隔震层设计

本工程在地下室与上部结构之间设置隔震层，隔震层层高2.15m，净高1.25m，共采用181个橡胶隔震支座，其中天然橡胶隔震支座（Ⅱ型）65个，铅芯橡胶隔震支座（Ⅱ型）64个，高阻尼橡胶隔震支座（Ⅱ型）52个，橡胶隔震支座力学性能参数见表2~表4。

表2  天然橡胶隔震支座力学性能参数

表3  铅芯橡胶隔震支座力学性能参数

表4高阻尼橡胶隔震支座力学性能参数

经验算，本工程橡胶隔震支座在重力荷载代表值作用下压应力最大值为11.49Mpa，满足《隔标》的要求。

隔震层必须具备足够的屈服前刚度和屈服承载力，以满足风荷载和微振动的要求。《隔标》规定隔震层抗风承载力设计值应不小于风荷载作用下隔震层水平剪力标准值的1.4倍。抗风承载力设计值按《隔标》第4.6.8条进行计算，计算公式如式下：

式中：——隔震层抗风承载力设计值（N），隔震层抗风承载力由抗风装置和隔震支座的屈服力构成，按屈服强度设计值确定；

——风荷载分项系数，可取1.4；

——风荷载作用下隔震层水平剪力标准值（N）。

本工程隔震层抗风承载力设计值为1.38×107N，风荷载作用下隔震层水平剪力标准值为2.21×106N，满足要求。

3.3 地震作用分析结果

3.3.1 设防地震作用分析结果

采用PKPM软件提供的基于复振型分解反应谱法进行自动迭代计算的功能，计算出非隔震模型（柱底铰接处理）与隔震模型结构的自振周期及楼层剪力。通过PKPM（GZ模块）分析结果显示，采用隔震设计后，结构周期延长（表5），楼层剪力显著降低（图3），隔震效果明显。

表5隔震前后结构周期对比

《叠层橡胶支座隔震技术规程》（CECS126：2001）[3]规定“隔震房屋两个方向的基本周期相差不宜超过较小值的30%”，本工程可符合该规定。

分析结果显示，本工程底部剪力比为0.36，根据《隔标》及《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011-2010）[4]的相关规定确定本工程抗震等级（表6）。

表6结构构件抗震等级

隔震结构的偏心率是隔震层设计的一项重要指标，《隔标》规定“隔震层刚度中心与质量中心宜重合，设防烈度地震作用下偏心率不宜大于3%”。本工程对隔震结构的偏心率进行了计算，X向偏心率为1.79%，Y向偏心率计算结果为0.88%，均符合《隔标》的相关规定。

PKPM（GZ模块）分析结果表明，设防地震作用下各楼层弹性层间位移角最大值为1/430（图4），满足《隔标》的相关规定。

3.3.2 罕遇地震作用下弹塑性分析结果

弹塑性时程分析过程考虑材料非线性；采用小变形假定；不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择ETABS程序提供的Hilber-Hughes-Taylor

逐步积分法，γ取0.5，β值取0.25，ɑ取0。弹塑性时程分析过程中，按七条地震波（图5）进行计算分析，最终结果取七条地震波作用下的平均值。

图6为ETABS软件采用的美标ASCE41/FEMA356中对混凝土框架塑性铰本构骨架曲线和损伤表征点的定义示意图。参照塑性铰定义图（图6），本工程结构罕遇地震损伤图中无任何构件进入到“快速居住（IO）”状态，即处于图6中的B点到IO状态点之间。综上，本工程结构在罕遇地震作用下整体基本完好；整体结构在部分地震波作用下有部分框架梁进入了塑性状态，能够达到结构的抗震性能目标。

根据《隔标》的相关规定对隔震支座在罕遇地震作用下的拉应力、压应力、支座位移进行验算，验算结果均满足要求（表7）。

表7罕遇地震作用下隔震支座验算结果

ETABS时程分析结果表明，罕遇地震作用下各楼层弹塑性层间位移角最大值为1/241（图7），满足《隔标》的相关规定。

3.4 超限分析

根据《云南省建筑工程抗震设防专项审查技术要点（试行）》的相关规定对超限类别进行判定，本工程高度不超限，规则性超限类型为扭转不规则、楼板不连续，累计不规则评分为2分。

3.4.1 扭转不规则

考虑偶然偏心地震作用，本工程扭转位移比为1.23。针对扭转不规则，本工程采取的加强措施为地震作用计算分析采用24个振型，均考虑扭转耦联影响，计入双向地震作用、偶然偏心的影响，适当加强结构周边梁柱截面，提高结构抗扭能力。

3.4.2 楼板不连续

本工程平面楼板不连续，局部有效宽度为34%。针对楼板不连续，本工程采取的加强措施为隔震层以上楼板不连续及局部有效宽度较小部位，楼板厚度加至150mm，隔震层楼板不连续及局部有效宽度较小部位，楼板厚度加至250mm，板钢筋双层双向拉通设置，且每个方向的配筋率不小于0.25%。同时对结构进行设防地震作用下楼板应力分析，对隔震层进行罕遇地震作用下楼板应力（图8~图9）及位移（图10~图11）分析，提高结构薄弱部位抗震能力。分析结果表明各楼层绝大部分楼板在设防地震作用下应力均小于1.0ftk，在罕遇地震作用下楼板钢筋不屈服，可满足设计要求。

3.5 隔震构造设计

隔震结构的隔震层在水平地震作用下将产生较大水平位移，设计中需考虑足够宽度的竖向隔离缝，以避免发生地震时非隔震构件阻碍隔震结构的水平运动、构件碰撞破坏而无法达到预期隔震效果。此外，发生地震时地下室非隔震结构与地上隔震结构之间将产生较大相对位移，而楼梯梯段板等构件需贯通隔震层上下，也应采取相应隔震措施。

本工程在罕遇地震下地震作用下隔震层端部支座最大位移286.35mm。根据《隔标》的规定，隔离缝宽不宜小于罕遇地震下的最大水平位移值的1.2倍且不小于300mm，综合考虑后竖向隔离缝缝宽取450mm，隔震沟挡土墙与上部隔震结构构件的间距按不小于450mm进行设计（见图12）。

对出入口位置尚考虑悬挑板跨越隔震沟的长度不小于450mm（图12），避免发生地震时出入口功能无法正常使用。

楼梯间梯段及填充墙在隔震支座标高处设置50mm宽水平隔离缝，填充墙在水平隔离缝以上区域采用梁下挂板，隔震支座周边450mm宽度范围内采用柔性材料填充（图13）。水平隔离缝上下的梯段和填充墙可相对运动，从而达到发生地震时，楼梯间的疏散功能可正常使用的目的。

4   结论

（1）在地下室与上部结构之间设置隔震层可显著降低上部结构所承受的地震剪力，减小结构的地震反应。

（2）本工程结构在设防地震及罕遇地震作用下的层间位移角均在《隔标》限值范围内，本工程结构在罕遇地震作用下整体基本完好；整体结构在部分地震波作用下有部分框架梁进入了塑性状态，能够达到结构的抗震性能目标。

（3）通过对地震作用计算分析及隔震构造设计，基本可满足结构在发生本区域设防地震时能够满足正常使用的要求。

参考文献

[1]建筑工程抗震设防分类标准：GB 50223-2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]建筑隔震设计标准：GB/T 51408-2021[S].北京：中国计划出版社，2021.

[3]层叠橡胶支座隔震技术规程：CECS126：2001[S].北京：中国工程建设标准化协会，2001.

[4]建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S]. 2016年版 北京：中国建筑工业出版社，2016.