于森林, 顧振華, 韋勁宏, 陳 儀, 楊 陽, 馬 靜, 張 然

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

昆明市第二人民醫(yī)院新院位于云南省昆明市盤龍區(qū)龍泉街道辦事處上壩社區(qū)北京路延長線以東,華潤中央公園小區(qū)以北,東側為昆明繞城高速。項目總用地面積為38 611.18m2,總建筑面積為155 575.2m2,其中地上共17層,總高75.6m,建筑功能為醫(yī)療綜合樓,建筑面積為99 559.05 m2;地下共2層,總高12m,建筑功能為車庫,建筑面積為53 781.78 m2。整體效果圖如圖1所示。

醫(yī)療綜合樓地上部分通過防震縫劃分為5個結構單元,分縫平面圖見圖2。塔樓部分采用框架-剪力墻體系,塔樓底部2～4層采用了鋼板剪力墻,裙樓部分采用框架結構體系,整體采用了隔震技術,隔震部位為地下室頂板。塔樓最大結構高度為75.6m,裙房1結構高度為24.25m,為高層建筑。裙房2結構高度為19.5m,為多層建筑。地下2層,埋深約12m,嵌固部位為地下室頂板。

圖2 醫(yī)療綜合樓地上結構分縫平面圖

本工程地處8度區(qū)[1-2],為三甲醫(yī)院的門診、醫(yī)技、住院用房,抗震設防類別為重點設防類。擬建場地為中軟土,建筑場地為Ⅱ類,設計地震分組為第一組,設計基本地震加速度為0.2g,場地特征周期為0.52s。

2 結構整體設計

2.1 隔震技術的運用

根據(jù)《建設工程抗震管理條例》第十六條,位于高烈度地區(qū)的醫(yī)院,應采用隔震、減震技術,保證發(fā)生本區(qū)域設防地震時能夠滿足正常使用要求。同時,《云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定》第三條規(guī)定,醫(yī)院建筑應采用隔震、減震技術。本項目最終采用了隔震技術,主要基于以下兩方面的考慮。

(1)安全性:隔震是在建筑物底部或某個部位設置隔震支座,人為地使結構的上、下部分相對隔離,減少地震能量向建筑的傳遞,維持上部結構功能,保障生命安全。

(2)適用性:利用隔震層產(chǎn)生的大位移和阻尼達到耗散地震能量目的,從而減小上部結構的變形和內(nèi)力,確保建筑內(nèi)部設施不遭受損毀,適用于醫(yī)院這種地震發(fā)生后需要保持正常使用功能的建筑,且云南地區(qū)已有多棟建筑采用隔震技術,經(jīng)歷過實際地震,效果良好。

2.2 隔震部位的比選

多塔樓結構隔震層位置的選取[3-5]主要根據(jù)項目的具體需求及建筑功能使用來確定。隔震層位置選擇一般有層間隔震、地下室頂板隔震及基礎隔震三種。

(1)層間隔震是將隔震層設置于裙房頂板的隔震方式,為大底盤多塔層間隔震,見圖3。其優(yōu)點為不用設置水平隔離縫、具有更高的抗傾覆能力、施工方便等,但隔震層位置越高,能保護的結構越少。裙房作為隔震層下部結構應具有較高的剛度和強度來滿足隔震結構體系的穩(wěn)定性及層間位移角限值要求。本項目醫(yī)療綜合樓中庭為綠化花園,導致裙房中部大開洞,整體剛度較差且水平地震作用無法較好傳遞。且裙樓使用功能為重要的醫(yī)技功能,需要保護。

圖3 層間隔震示意圖

(2)基礎隔震是將隔震層設置于基礎部位的方式, 見圖4。車庫周邊由于存在水平隔離縫,需設置永久懸臂擋墻將周邊土體擋住,并且在基礎設置隔震層也會加深基坑開挖深度。且本項目地下室主要為車庫功能,且車庫面積較大,加大了隔震裝置的費用,經(jīng)濟性較差。

圖4 基礎隔震示意圖

(3)地下室頂板隔震是將隔震層設置于地下室頂板的方式,見圖5。形成了以隔震層頂板為大底板的多塔樓隔震結構,利用車庫頂板與塔樓正負零標高處之間的高差設置隔震層,將上部結構與車庫結構隔離開。車庫結構本身具有較高的整體剛度,也不需要設置較厚且較高的懸臂擋墻,在經(jīng)濟效益上更優(yōu)。

圖5 地下室頂板隔震示意圖

通過比選,本項目采用安全可靠且經(jīng)濟合理的地下室頂板隔震方案。隔震層頂板整體連接,有效解決了傳統(tǒng)多塔樓各自隔震后上部各塔樓縫寬過大帶來的建筑難題,防震縫寬度可按傳統(tǒng)抗震結構的規(guī)定取值。

2.3 結構主要布置

(1)主體結構布置:本工程綜合樓隔震層設置于車庫頂板。隔震層以上裙樓層數(shù)為3～4層,角部為三棟高層塔樓,各塔樓高度不等,位置居邊,隔震層頂板不設結構縫,裙樓與塔樓在隔震層頂板以上設縫分開。隔震層以下結構為兩層地下室,結構布置情況見表1,塔樓標準層布置見圖6。

表1 主體結構布置情況

圖6 A塔樓標準層結構布置圖

(2)隔震層上、下支墩結構均為型鋼混凝土支墩柱,同一柱子下支墩與上支墩截面相同,支墩柱截面為1 300×1 300、1 200×2 350,支墩柱混凝土強度等級為C60,梁板混凝土強度等級為C40,樓蓋體系選用鋼筋混凝土大板+主梁體系,典型梁采用型鋼混凝土組合梁,截面為1 000×1 200,板厚為300～400mm。

(3)隔震支座布置:醫(yī)療綜合樓采用普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座,支座布置及選取原則為:隔震層剛度中心與上部結構質(zhì)心基本一致;隔震層具有適當?shù)乃絼偠?在風荷載作用下,隔震層具有足夠的初始剛度及良好的自動復位功能;隔震支座具有足夠的豎向承載力和水平變形能力,在發(fā)生罕遇地震時,可安全穩(wěn)定地支撐建筑物。

根據(jù)以上原則醫(yī)療綜合樓共使用325個支座,其中鉛芯橡膠支座LRB800-Ⅱ～LRB1400-Ⅱ布置在周邊,共195個;普通橡膠支座LNR800-Ⅱ～ LNR1100-Ⅱ布置在中部,共130個。隔震層支座布置見圖7。

圖7 隔震層支座布置圖

3 隔震結構分析

3.1 結構抗震性能目標

根據(jù)《建筑隔震設計標準》(GB/T 51408—2021)(簡稱隔標)[6]第1.0.3條要求:隔震建筑的基本設防目標是當遭遇設防地震作用時,主體結構基本不受損壞或不需修理即可繼續(xù)使用。當遭遇罕遇地震作用時,結構可能發(fā)生損壞,經(jīng)修復后可繼續(xù)使用。各構件抗震性能目標見表2～4。

表2 關鍵構件抗震性能目標

表3 A～C塔隔震層以上構件抗震性能目標

表4 裙房隔震層以上構件抗震性能目標

3.2 中震分析

采用PKPM-隔震模塊進行整體計算分析并采用ETABS軟件對周期、底部剪力等進行對比復核。其中,PKPM軟件采用振型分解反應譜法計算,ETABS軟件采用時程分析法計算[7]。采用隔震技術后,結構周期明顯延長,兩軟件隔震前、隔震后模型的主要周期都非常接近。隔震前后結構周期如表5所示。

表5 隔震前后結構周期/ s

由于塔樓數(shù)較多,以最高塔樓A塔進行對比描述,隔震前后樓層剪力見圖8。

圖8 A塔隔震前與隔震后樓層剪力

由圖8對比結果可知:時程分析法的樓層剪力平均值均小于反應譜法的樓層剪力,故相關部位構件的內(nèi)力和配筋不作相應的調(diào)整。隔震層以上結構隔震前后底部剪力比值均小于0.5,根據(jù)隔標第6.1.3條第2款,上部結構可按設防烈度降低1度確定抗震措施,本項目為重點設防類建筑,因此,與水平地震相關的抗震措施按8度考慮。按規(guī)定,與豎向地震相關的抗震措施按提高一度即9度考慮。

3.3 大震分析

本工程使用ETABS軟件進行彈塑性分析計算,ETABS軟件中連接單元[8]能夠準確模擬橡膠隔震支座。選取5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程。

根據(jù)地震動時程下的結構出鉸狀態(tài)和損傷結果得出隔震結構在罕遇地震下整體基本完好[9-10];整體結構在部分波作用下,僅有少部分框架梁進入了塑性狀態(tài),在大震作用下,結構具有良好的工作性能。

在罕遇地震作用下,隔震支座應進行以下兩項驗算:

(1)支座應力:支座拉應力驗算采用1.0恒載-1.0水平地震-0.5豎向地震的荷載組合; 支座壓應力驗算采用1.0恒載+0.5活載+1.0水平地震+0.4豎向地震的荷載組合。

分別計算罕遇地震作用下支座的拉、壓應力,得到支座最大拉應力為0.90MPa<1.0MPa, 支座承受的最大壓應力為20.75MPa<25.0MPa,均滿足規(guī)范要求。

(2)支座位移:考慮升降溫15°的影響,隔震層罕遇地震下最大水平位移為320mm,邊支座位移為該位移的1.15倍,即為368mm,小于0.55D=440mm及3Tr=441mm(D為最小支座直徑,本工程采用的最小支座直徑為800mm,Tr為最小支座的橡膠層總厚度147mm)中的較小值,滿足要求。

4 隔震層設計與分析

為保證大底板多塔樓隔震層能夠整體協(xié)調(diào)工作,隔震層頂部應設置平面內(nèi)剛度及強度足夠大的梁板體系。隔震層平面圖見圖9。

圖9 隔震層平面圖

本工程隔震層樓板板厚 300mm,A 塔、B 塔與裙房交界處相鄰一跨樓板及 A 塔與 B 塔交界處筒體范圍內(nèi)加強板厚至 400mm,樓板混凝土強度等級為 C40,為緩解角部應力集中,采取局部加腋處理。

A、B、C 塔與裙房在結構高度及兩個主軸方向上的動力特性相差較大,為保證大底板的可靠性,在高層塔樓及裙房交界處采取合成一個大支墩的處理方式,并且連接支墩的框架梁采用 1 200mm×800mm 的寬扁梁以加強在隔震層頂板位置兩塔樓之間的抗剪能力。

對隔震層樓板進行了設防地震及罕遇地震作用下的樓板應力計算,按照設防地震作用下樓板保持彈性,罕遇地震用下鋼筋不屈服的性能目標進行了樓板應力及配筋的控制,保證了隔震層樓板在設防地震及罕遇地震作用下良好的工作性能。

5 結論

(1)隔震層位置的選取應根據(jù)工程的特點從結構合理性及經(jīng)濟性等角度進行綜合分析判斷,以達到隔震效果及造價均合理的目標。

(2)大底板多塔樓隔震項目,大底板的設計尤為重要,需加強構造與分析,保證大底板的良好工作性能。

(3)大底板多塔樓隔震結構可有效解決傳統(tǒng)多塔樓隔震后隔震縫過寬帶來的建筑處理難題。

致謝:本項目在設計過程中,隔震專項分析得到了震安科技股份有限公司的大力支持,在此表示感謝!