医院建筑抗震特性分析及结构设计

医院建筑抗震特性分析及结构设计吴珠海，邵兵(华东建筑设计研究院有限公司，上海200002)摘要医院设计需要满足特殊的功能和设备要求，因此在结构抗震设计上有别于其他类型建筑的特点。根据医院建筑刚度突变和结构不规则的特点，进行了地震弹性和弹塑性分析，并结合不同的结构类型讨论了楼梯对结构的影响。总结了医院建筑抗震设计中常见的问题及解决方法。关键词医院建筑；设备夹层；刚度的突然变化；弹塑性分析；楼梯医院结构抗震性能分析及结构设计吴珠海，邵兵(华东建筑设计研究院有限公司，上海200002，中国)由于特殊的功能和设备要求，医院的设计与其他建筑不同。本文通过弹性和非弹性分析讨论了刚度突变和不规则性，并比较了楼梯对不同类型结构的影响。总结了抗震设计中存在的问题，并为类似工程提供了常见的解决方案。关键词：医院；设备地板；刚度突变；非弹性分析；楼梯介绍近年来，医院建筑因其在保障生命安全方面的重要意义，越来越受到政府和建设部门的重视。特别是5月12日汶川地震后，对医疗建筑提出了更严格的抗震要求。2008年版建筑工程抗震设防分类标准明确指出，二级、三级医院和“设有外科手术室或急诊科的乡镇医院”的抗震设防类别应作为重点设防类别，承担特别重要医疗任务的三级医院的抗震设防类别应提升为1号特殊设防类别。医院建筑由于其特殊的功能和设备要求，在抗震设计上具有不同于其他类型建筑的特点。例如，为满足手术室的清洁要求而设置的设备夹层一般高度和刚度较高，容易形成突然的刚度变化。医院需要在同一个单元中实现不同的使用功能，这往往导致不同功能的建筑面积差异较大，形成大底盘、小塔楼的不规则结构。根据以往地震灾害的经验，在各种类型的地震灾害中，楼梯损坏频繁发生，而医院建筑中的楼梯在抗震救灾中起着疏散人员、保障生命安全的作用，应引起足够的重视。根据上述特点，本文结合不同的结构类型和抗震设防要求进行计算分析，并提出相应的解决方案。1设备技术层引起的刚度突变医院外科手术室一般有较高的清洁要求(等级100 3x105) 2，这要求大量的清洁设备放置在与手术楼层相邻的楼层上。同时，由于床要求和规划要求的限制，清洁设备所在的楼层通常被设计为设备夹层，在较低的楼层具有高和重的负荷。由于相邻手术室或病房楼的楼层高度较高，设备夹层具有较大的刚度突变和地震作用突变，从而在下层形成薄弱楼层，降低医院建筑的抗震性能。为了解决这个问题，在结构设计中可以采取以下措施：(1)设备技术夹层的梁、柱应采用铰链连接，柱、墙应伸出牛腿，梁应简单支撑在牛腿上，梁与墙柱之间的缝隙应用柔性材料填充。作为附加在牛腿上的附加荷载，当结构与相邻楼层结合时，设备楼层计算为一个楼层，设备夹层梁计算为简支梁。(2)通过设置斜梁或斜柱，将上下两层连接成一个整体，形成桁架，使设备层成为加强层，操作间的楼层高度一般来说，上述方案能有效解决刚度突变问题，但也存在以下不足：表1设备工艺夹层刚度突变改进方案对比上海黄埔医学中心深圳女子医院3建筑高度16层，58.45米16层，68米强化强度77地板面高度14层4.05米，设备夹层2.2米，标准楼层3.6m12层4.5m，3层3.6m，45层4.2m，设备夹层2.1m，6层3.9m，标准层3.6m层刚度算法剪切刚度算法层间剪切比和层间位移算法改进措施方案三：设备夹层下增加剪力墙；上述措施降低了混凝土等级，并减小了抗侧力构件的横截面。方案一：夹层楼板梁柱铰链设备技术；降低设备夹层混凝土的等级处理效应四层与设备夹层的横向刚度比达到0.78与三层楼相比，四层楼的平均横向刚度为0.94。第五层与第六层的横向刚度之比达到0.73上部三层平均横向刚度的80%以上方案一、设备地板为铰链式，接缝多，支架影响美观，施工难度大，易发生漏水等问题，特别是手术室的清洁要求难以满足。因此，可以考虑将框架梁的面筋弯曲到无接缝支撑的底部钢筋附近，这样就不会承受负弯矩。楼板和梁不设接缝，统一浇筑，通过结构衔接解决。但是，设备层铰接后，计算高度将大大增加，这可能导致薄弱层上移，竖向构件的应力变得更加复杂。方案二：设备夹层为加强层，施工难度大。超高层建筑在一般医院建筑中很少见到，建造类似高度的建筑会增加成本。同时，由于需要在设备层放置大量设备和支撑管道，使用斜梁和斜柱会给设备层的使用带来困难，因此这类方案一般较少使用。方案三：通过改变结构布置和材料强度，调整结构刚度，很难把握所采取的措施对结构的影响。一般来说，只有对结构的抗震性能进行深入分析和反复试算，才能确定更合理的方法。综上所述，方案1和方案3更为合理，在医疗建筑设计中得到广泛应用。以上述两家医院为例，分别采用方案1和方案3，有效解决了设备夹层引起的刚度突变。经过治疗，上海黄埔医疗中心改变了设备夹层中三个部件的截面，即第五层和第十层，并改变了设备夹层中主要材料的强度，使得转换更加复杂。深圳妇儿医院原来的六楼高3.6米。设备层铰接后，第五层和第六层的刚度比仅为0.68。薄弱的地板被抬高了。在满足规范要求之前，第六层被提升至3.9m高。2函数使用引起的不规则结构在医院的设计中，上部通常是病房楼，下部是医疗和外科楼。由于使用功能的不同，底层的面积往往比上层大得多。如果相差太大，就会形成大底盘和小塔楼的结构。由于下部楼层的功能性和完整性强，建筑物往往难以在下部底盘设置结构接头，导致建筑抗震设计规范 (2008版)4:中规定的不规则结构，如塔架过度回缩、塔架偏移、横向刚度突变、楼层承载力突变等。根据建筑抗震设计规范的要求，结构分析和计算应采用空间模型，地震频繁时应采用时程分析法进行补充计算，弹塑性变形分析应按相关规定进行。当它在这两个项目中，设备夹层都放置在大型机箱的顶部。设备夹层用于补偿因塔架面积减小而降低的刚度。同时，采用上述第三种方案来提高结构刚度，使设备层的上下刚度接近，减少结构不规则引起的地震作用突变。可以看出，虽然由于刚度计算方法的不同，两个项目的刚度变化曲线也有所不同，但设备楼层上下的规律是相同的，即设备夹层的存在使得现场刚度有一定程度的加强，而由于楼层面积的减小，从大底盘到塔架的刚度变化趋势一般都在减小。采取上述措施后，刚度变化不太大，一般满足规范避免刚度过度突变的要求。(一)上海黄埔中心横向刚度曲线(二)武汉新华医院横向刚度曲线图1大底盘和小塔架结构的刚度曲线由于塔架偏移，塔架与大底盘的刚度中心和质心偏差较大，结构容易产生整体扭转效应。因此，在裙房的外部设置与裙房高度相同的剪力墙，以控制结构的扭转效应。根据弹性时程分析，上海黄埔中心最大层间位移比为1.48，武汉新华医院最大层间位移比为1.42，满足规范要求。同时，建筑物的地震力和位移角也能形成相对平缓的变化趋势。(一)上海黄埔中心位移角曲线时程分析(二)上海黄埔中心地震力曲线时程分析图2上海黄埔中心弹性时程分析结果武汉新华医院位移角曲线的时程分析(二)武汉新华医院时程分析地震力曲线图3武汉新华医院弹性时程分析结果2.2不规则结构的性能设计医院在确保地震灾害中的生命线方面发挥着重要作用。设计类别也高于普通建筑。仅在频繁地震下进行弹性分析是不够的。弹塑性工作条件也应进行性能设计。目前，我国规范提出了建筑抗震性能“三级”的设计目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。设计分为两个阶段，第一阶段是计算小震下的弹性承载力，第二阶段是计算弹塑性变形。与中国不同，美国IBC规范将中震视为设计地震，将具有弹塑性变形的中震下结构的设计荷载降低到具有延性系数的弹性阶段，同时采用结构措施实现相应的延性系数5。中美规范实现延性的方法不同，但都明确提出结构在地震力作用下应具有足够的延性。目前，在性能设计中，我们采用“梁柱铰链机构”6来保证结构的塑性工作能力，并依靠梁柱节点铰链来耗散地震能量，即在一定程度上增加柱的抗弯能力，同时控制柱的轴压比，使柱端具有有限的延性而不会倒塌，柱端可能进入屈服状态，但梁铰链的塑性铰链更容易发生得早，塑性转动更大。并通过结构措施保证塑性铰具有所需的耗能能力，同时增加柱端和墙端的抗剪设计值，保证结构在延性发挥之前不会出现非延性剪切破坏。仍以上述两个工程为例，利用MIDAS软件对结构进行静力弹塑性PUSHOVER分析。上海黄埔中心地震作用下塑性铰的分布大地震下上海黄埔中心塑性铰的分布图4上海黄埔中心PUSHOVER分析结果武汉新地震作用下塑性铰的分布首先，从分析结果可以看出，柱、墙铰链的时间和数量都低于梁铰链，在中等地震下基本不发生，可以满足“强柱弱梁”的要求。然而，除了底部加固层之外，柱和墙铰链出现的第一个地方包括塔的底部2-3层。因此，这些部位应注意柱和墙的抗震构造措施，剪力墙底部配筋部分应抬高至大底盘以上两层。其次，虽然结构形式与楼层高度相似，但上海黄埔中心的结构刚度远远高于武汉新华医院，以满足不同抗震设计烈度下的位移要求。虽然这能满足小震下的变形要求，但通过对比计算发现，在相同的位移条件下，前者吸收的地震力更大，塑性铰的数量远高于后者。因此，在抗震设计中，在满足变形要求的同时，应尽可能避免结构刚度过大。最后，对比PUSHOVER的加载步骤，可以看出结构梁在地震作用下的塑性铰位置为：连梁与剪力墙连接的框架梁侧框架梁普通框架梁。其中，连梁和与剪力墙连接的框架梁作为连接构件，在剪力墙和框架的两道防线之间传递地震力，在结构抗震中起到消耗地震能量的作用。规范对连梁的计算和构造措施作了详细规定。然而，仅按普通框架考虑剪力墙的连梁和框架柱显然是不够的，尤其是当跨度较小时，更容易出现剪切裂缝。建议设计中也应采用连梁的设计方法，其构造措施应与连梁相同。楼梯3对抗震性能的影响在5月12日汶川地震中，楼梯破坏频繁发生在各种结构破坏中，改变了目前工程界普遍对楼梯抗震重视不够的现状。在以往的结构设计中，整个模型计算没有考虑楼梯的作用，楼梯只考虑静态工作状态。然而，修订版建筑抗震设计规范特别提出了计算中应考虑楼梯构件影响的要求。医疗建筑作为保证生命线的重要建筑，应该更加重视楼梯的影响。以前的文献7到8大多集中于楼梯对框架结构的影响，但实际上，楼梯构件对计算结果的影响因结构形式的不同而不同。上海黄埔医疗中心为16层框剪结构体系，朱家角医院为7层框架结构体系，抗震设防烈度为7度，场地均为上海市四级场地。在不考虑楼梯功能的模型中，不计算楼梯的楼板厚度，楼梯的自重和竖向荷载均作为均布荷载布置在楼梯中。在考虑楼梯作用的模型中，梯板简化为斜梁，梯柱作为集中力，荷载与不考虑楼梯时相同。表2楼梯对结构抗震