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建筑之家（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及设备要求，因此在结构抗震设计时具有与其他类型建筑不同的特点。针对医院建筑的刚度突变、结构不规则等特点进行了抗震弹性及弹塑性分析，并结合不同的结构类型探讨了楼梯对结构的影响。总结了医院建筑在抗震设计中常见的问题及解决方案。关键词医院建筑；设备夹层；刚度突变；弹塑性分析；楼梯SEISMICCHARACTERSANALYSISANDSTRUCTUREDESIGNOFHOSPITALSTRUCTUREWUZHUHAI,SHAOBING（EASTCHINAARCHITECTURALDESIGNEQUIPMENTFLOORSTIFFNESSSUDDENCHANGEINELASTICANALYSISSTAIR0引言近几年来，医院建筑由于其对保障生命线的重要意义，越来越为政府和建设部门所重视，尤其在512汶川地震之后，针对医疗建筑提出了更为严格的抗震要求。2008年版的建筑工程抗震设防分类标准中特别指出二、三级医院及“具有外科手术室或急诊科的乡镇卫生院”抗震设防类别应为重点设防类，而承担特别重要医疗任务的三级医院则需提高到特殊设防类1。医院建筑由于其特殊的功能及设备要求，在抗震设计中具有与其它类型建筑不同的特点。例如为满足手术室的洁净要求设置的设备夹层一般层高低且刚度大，容易形成刚度突变；医院需要在同一单体中实现不同的使用功能也常会使具有不同功能的楼层建筑面积差别较大，形成大底盘小塔楼的不规则结构；根据以往震灾的经验，在各类震害中楼梯破坏多有发生，而在医院建筑中楼梯在抗震救灾时担负了疏散人员，保证生命安全的作用，更应引起重视。针对以上特点本文结合不同的结构类型与抗震设防要求进行计算与分析，并提出了相应的解决方案。1设备技术楼层引起的刚度突变医院外科手术室一般都具有较高的洁净要求（100级3X105级）2，需在手术层邻近楼层放置大量的洁净设备，同时受到床位要求及规划要求的限制，洁净设备所在楼层常被设计成低层高、大荷载的设备夹层。由于其邻近的手术室或病房层的层高较高，造成设备夹层较大的刚度突变与地震作用突变，从而使下部的楼层形成薄弱层，降低了医院建筑的抗震性能。针对这个问题，在结构设计中一般可采取以下几种处理措施1将设备技术夹层的梁柱按照铰接处理，柱、墙上伸出牛腿，梁简支在牛腿上，梁板与墙柱间留出空隙用柔性材料填充。设备层作为附加于牛腿上的附加荷载，结构计算上将该层与相邻楼层合起来按一层算，设备夹层梁均按简支梁另外计算。2通过设置斜梁或斜柱将上下层连成一体形成桁架，使设备层成为加强层，同时调整手术室与上部楼层层高，达到上下层刚度相近的要求。3调整结构布置与材料强度，改善结构刚度。对设备夹层采取减小构件截面，降低混凝土强度，在剪力墙上开洞，采取弱连梁或分体柱等措施；对于相邻下部楼层则加大构件截面，提高混凝土强度，局部增加抗侧力构件，加强连梁刚度。使上下楼层刚度接近并满足规范的相关要求，避免薄弱层的出现。一般上述方案均可有效解决刚度突变的问题，但也存在着以下不足表1设备技术夹层刚度突变改善方案对比上海黄浦医疗中心深圳市妇儿医院3建筑高度16层，5845M16层，68M设防烈度77楼层高度14层405M，设备夹层22M，标准层36M12层45M，3层36M，45层42M，设备夹层21M，6层39M，标准层36M层刚度算法剪切刚度算法层间剪力比层间位移算法改善措施方案3设备夹层以下增加剪力墙；以上降低砼标号,减小抗侧力构件截面方案1设备技术夹层地板梁柱铰接；降低设备夹层混凝土标号处理效果四层与设备夹层侧向刚度比达到078四层比上三层平均侧移刚度达到094五层与六层侧向刚度比值达到073大于上部三层平均侧移刚度的80方案1，设备层设为铰接，设缝较多，牛腿影响美观，施工困难，易出现漏水等问题，尤其是手术室的洁净要求难以满足。对此可考虑不设缝将框架梁面筋在支座处弯折至底筋附近，使其不承担负弯矩，楼板、梁均不设缝，统一浇筑，用构造铰接的措施解决。但是，设备层设铰后，会使计算高度大幅增加，可能导致薄弱层上移，竖向构件受力也变得更复杂。方案2，设备夹层做成加强层，施工难度较大。一般医院建筑很少出现超高层，而类似高度的建筑设加强层会提高造价，同时，由于设备层需要放置大量的设备及配套的管线，斜梁、斜柱的使用会对设备层使用造成困难，因此该类方案一般较少采用。方案3，改变结构布置及材料强度，调整结构刚度，难以把握所用的措施对结构的作用，一般需要对结构的抗震性能进行深入的分析及反复试算以后才能确定较为合理的方式。综上所述，方案1、3较为合理，在医疗建筑的设计中也较多采用。以上述两医院为例，分别采用方案1与方案3，均有效解决了设备夹层引起的刚度突变。处理后，上海黄浦医疗中心在设备夹层、第五与第十层改变了三次构件截面，在设备夹层处改变了一次材料强度，转换较为复杂；而深圳市妇儿医院，原第六层层高为36M，设备层设铰后五、六层的刚度比仅068，薄弱层上移，将第六层层高提至39M后才满足规范要求。2使用功能引起的不规则结构医院在设计中，通常上部为病房层，下部为医技与手术楼层。由于使用功能的差异，下部楼层面积常远大于上部楼层，差异过大时，就形成了大底盘小塔楼的结构形式。由于下部楼层的功能性、整体性较强，建筑常常难以在下部底盘部分设置结构缝，就形成了建筑抗震设计规范2008年版4中规定的不规则结构如塔楼收进过大，塔楼偏置，侧向刚度突变，楼层承载力突变等。按建筑抗震设计规范要求应采用空间模型进行结构分析计算，用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，并按有关规定进行弹塑性变形分析；当为超限高层时，应采用至少两个不同力学模型的三维空间软件进行整体内力位移计算。21不规则结构的抗震分析以上海黄浦医疗中心及湖北武汉新华医院为例（两个工程均为4层裙房，总层数为16层，框架剪力墙结构）。上海黄浦中心大底盘高162M为主楼总高的2772，塔楼收进尺寸为下层投影宽度的3542,塔楼与大底盘的质心偏心距与大底盘相应边长的比值为147，竖向不规则；武汉新华医院大底盘高1705M为主楼总高276，塔楼收进尺寸为下层投影宽度的60，塔楼与大底盘的质心偏心距与大底盘相应边长的比值为229，塔楼偏置过大，也属竖向不规则。两个工程均将设备夹层置于大底盘顶部，利用设备夹层补偿由于塔楼面积缩小降低的刚度，同时采用前文所述第三类方案改善结构刚度，使设备层上下刚度接近，降低由于结构不规则引起的地震作用突变。可以看出虽然两个项目由于采用不同的刚度计算方式，刚度变化曲线也有区别，但是在设备层上下的规律是相同的，即设备夹层的存在使得该处的刚度有一定的加强，而由于楼层面积的减小，大底盘至塔楼刚度的变化趋势总的来说是在减小。在采取上述的措施后，刚度变化不至于太大，总体满足了规范中避免刚度突变过大的要求。A上海黄浦中心侧向刚度曲线B武汉新华医院侧向刚度曲线图1大底盘小塔楼结构的刚度曲线由于塔楼偏置，塔楼与大底盘部分刚度中心与质量中心偏差较大，结构容易产生整体扭转效应。所以在裙房靠外侧部分布置了与裙房等高的剪力墙来控制结构的扭转效应，根据弹性时程分析上海黄浦中心最大层间位移比为148，武汉新华医院的最大层间位移为142，满足规范要求；同时建筑物的地震力与位移角在总趋势上也能形成相对比较平缓的变化。A上海黄浦中心时程分析位移角曲线B上海黄浦中心时程分析地震力曲线图2上海黄浦中心弹性时程分析结果A武汉新华医院时程分析位移角曲线B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22不规则结构的性能设计医院在震灾中具有保障生命线的重要作用，设计类别也较一般建筑高，仅作常遇地震下的弹性分析是不够的，还应针对弹塑性工作状态进行性能设计。目前，我国的规范对建筑抗震性能设防目标提出了“三个水准”的设计目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。在设计时分为两个阶段，第一阶段进行小震下的弹性承载能力计算，第二阶段则进行弹塑性变形计算；与国内不同，美国IBC规范将中震作为设计地震，并将结构在具有弹塑性变形的中震作用下的设计荷载用延性系数来折减到弹性阶段，同时用构造措施来实现相应的延性系数5。中美规范实现延性性能方法不同，但都明确的提出结构在地震力作用下应该具有充分的延性能力。目前在性能设计中，我们采用“粱柱铰机构”6来保证结构的塑性工作能力，依靠粱柱共同出铰来耗散地震能量，即在一定程度上增大柱的抗弯能力，同时控制柱轴压比，使柱端具有有限的延性能力且不致压溃，柱端可能进入屈服，但梁铰出现塑性铰的机会更多更早，塑性转动较大。并通过构造措施保证塑性铰具有所需的耗能能力，同时增大柱、墙端的剪力设计值保证结构在延性发挥出来之前不出现非延性的剪切破坏。仍以以上两个工程为例，采用MIDAS软件对结构分别进行了静力弹塑性PUSHOVER分。A上海黄浦中心中震作用塑性铰分布B上海黄浦中心大震作用塑性铰分布图4上海黄浦中心PUSHOVER分析结果A武汉新华医院中震作用塑性铰分布B武汉新华医院大震作用塑性铰分布图5武汉新华医院PUSHOVER分析结果首先，从分析结果可以看出，柱、墙铰出现的时间与数量均低于梁铰，中震下基本不出现，能满足“强柱弱梁”的要求，但柱、墙铰首先出现的位置除了底部加强层外也包括了塔楼的底部23层，因此对于这些部位，柱、墙的抗震构造措施需要引起重视，同时剪力墙的底部加强部位应提升至大底盘以上两层；其次，虽然结构形式与楼层高度都相近，但由于抗震设计烈度不同，为了满足位移要求，上海黄埔中心的结构刚度远大于武汉新华医院。这样虽能满足了小震下的变形要求，但通过对比计算发现，相同的位移条件下，前者吸收了更多的地震力，出现塑性铰的数量也远超后者。因此在抗震设计中，应在满足变形要求的同时尽量避免结构刚度过大；最后，比较PUSHOVER的加荷步骤可以看出在地震作用下结构梁出现塑性铰的位置依次为连梁与剪力墙连接的框架梁边框架梁普通框架梁。其中连梁及与剪力墙连接的框架梁作为传递剪力墙与框架两道防线之间地震力的联系构件，在结构的抗震中起到消耗地震能量的作用，规范对于连梁计算与构造措施做了详细的规定，但是对于连系框架柱与剪力墙的框架梁仅按照普通框架考虑显然是不够的，尤其是当跨高比较小时更容易出现剪切裂缝，建议在设计中也应该采用连梁的设计方法进行验算，构造措施应与连梁相同。3楼梯间对抗震性能的影响512汶川地震中，结构的各类破坏中楼梯破坏多有发生，这改变了工程界普遍对楼梯抗震不够重视的现状。以往的结构设计中整体模型计算不考虑楼梯作用，楼梯仅考虑静力工作状态，而在修订后的建筑抗震设计规范中专门提出了“计算中应考虑楼梯构件的影响”的要求。医疗建筑作为保障生命线的重要建筑，更应该重视楼梯的影响。过往的文献78大部分集中讨论了楼梯对框架结构的影响，但实际上，对不同的结构形式楼梯构件对计算结果的影响也不相同。上海黄浦医疗中心为16层框剪结构体系，朱家角医院为7层框架结构体系，抗震设防烈度均为7度区，场地均为上海类场地。在不考虑楼梯作用的模型中不计算楼梯间的楼板厚度，楼梯自重与竖向荷载都作为均布荷载布置在楼梯间；在考虑楼梯作用的模型中将梯板简化为斜梁，梯柱作为集中力，荷载与不考虑楼梯间时相同。表2楼梯对结构抗震性能影响的对比上海黄浦医疗中心框剪结构朱家角医院框架结构不考虑楼梯考虑楼梯误差不考虑楼梯考虑楼梯误差T116171602101119107540T214741462081072105219T3138411012051024091011X向最大位移角1/8901/924371/5971/61936X向最大位移比1071051910811128Y向最大位移角1/8171/810091/6471/557162Y向最大位移比12411848111138243对比发现，考虑楼梯间的作用，框架结构所受的影响大于刚度较大的框剪结构。上海黄浦医疗中心的楼梯间置于剪力墙筒体内，楼梯形成的斜撑对筒体侧向刚度影响不大，因此对于结构影响较小，考虑楼梯间后扭转为主的周期减小了205，最大位移角也均有减小，反而对于结构的抗震特性有所提高，由于扭转等不利效应的减弱，部分连梁内力减小了1020；对框架结构而言，楼梯梯板及梯梁、梯柱与周边原有的框架形成了一个在上下层间传递地震力的结构体系，较大改变了结构局部区域的刚度规律，也使地震力往楼梯间周边集中，对比朱家角医院的计算后发现，考虑楼梯作用后，楼梯间周边的框架柱在地震力作用下的地震剪力增幅最大甚至可以达到67，而周边框架梁的受力也有不小的影响。4结语医院建筑的设计为了满足其特殊的功能及设备要求，常会遇到刚度突变，塔楼偏置等不利因素，而这类建筑的重要性又要求我们不仅要保证医院主体结构还需要保证楼梯结构在地震作用下的安全。本文针对以上情况进行分析与比较，尝试提出了可行的方案，并论证方案在结构设计中的利弊，得到如下结论。（1）对于设备夹层的刚度突变建议采用设备层梁柱设铰或调整结构布置与材料强度的方式加以改善；将设备夹层作为加强层虽然在结构上可行，但由于对设备使用影响较大不建议使用。（2）对医院大底盘小塔楼的结构形式不仅应避免刚度突变还需注意由于塔楼偏置引起的扭转效应。根据结构的弹塑性分析，在设计时应将底部加强层提高至少到塔楼23层；同时控制结构刚度以保证结构的延性工作能力；在设计中应重视传递及消耗地震力的水平构件的设计，这其中除了剪力墙连梁外还包括连系剪力墙的框架梁。（3）对于不同的结构形式，楼梯在地震作用下所起的作用是不同的，对于框架结构，由于楼梯改变了地震力传递的方式且与框架梁、柱形成了不同的结构体系，对医院结构抗震能力造成的影响远大于框剪结构。参考文献1GB202232008，建