醫(yī)院建筑抗震特性分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、醫(yī)院建筑抗震特性分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吳筑海，邵兵（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002）摘要醫(yī)院設(shè)計(jì)需要滿足特殊的功能及設(shè)備要求，因此在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)具有與其他類型建筑不同的特點(diǎn)。針對醫(yī)院建筑的剛度突變、結(jié)構(gòu)不規(guī)則等特點(diǎn)進(jìn)行了抗震彈性及彈塑性分析，并結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)類型探討了樓梯對結(jié)構(gòu)的影響?？偨Y(jié)了醫(yī)院建筑在抗震設(shè)計(jì)中常見的問題及解決方案。關(guān)鍵詞醫(yī)院建筑；設(shè)備夾層；剛度突變；彈塑性分析；樓梯Seismic characters analysis and structure design of hospital structureWu Zhuhai, Shao Bing（East China

2、Architectural Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200002 , China）Abstract: The hospital design is different with other architectures, because of the special function and equipment requirements. In this paper, elastic and inelastic analyses are provided to discuss the stiffness sudden

3、 change and the irregularity and the influences of stair are compared with different type of structures. Summary of the problems in the seismic design and common solutions are provided for similar projects.Key words: hospital; equipment floor; stiffness sudden change; inelastic analysis; stair0引言近幾年

4、來，醫(yī)院建筑由于其對保障生命線的重要意義，越來越為政府和建設(shè)部門所重視，尤其在5.12汶川地震之后，針對醫(yī)療建筑提出了更為嚴(yán)格的抗震要求。2008年版的建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)中特別指出：二、三級(jí)醫(yī)院及“具有外科手術(shù)室或急診科的鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院”抗震設(shè)防類別應(yīng)為重點(diǎn)設(shè)防類，而承擔(dān)特別重要醫(yī)療任務(wù)的三級(jí)醫(yī)院則需提高到特殊設(shè)防類1。醫(yī)院建筑由于其特殊的功能及設(shè)備要求，在抗震設(shè)計(jì)中具有與其它類型建筑不同的特點(diǎn)。例如：為滿足手術(shù)室的潔凈要求設(shè)置的設(shè)備夾層一般層高低且剛度大，容易形成剛度突變；醫(yī)院需要在同一單體中實(shí)現(xiàn)不同的使用功能也常會(huì)使具有不同功能的樓層建筑面積差別較大，形成大底盤小塔樓的不規(guī)則結(jié)構(gòu)；根據(jù)以

5、往震災(zāi)的經(jīng)驗(yàn)，在各類震害中樓梯破壞多有發(fā)生，而在醫(yī)院建筑中樓梯在抗震救災(zāi)時(shí)擔(dān)負(fù)了疏散人員，保證生命安全的作用，更應(yīng)引起重視。針對以上特點(diǎn)本文結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)類型與抗震設(shè)防要求進(jìn)行計(jì)算與分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。1設(shè)備技術(shù)樓層引起的剛度突變醫(yī)院外科手術(shù)室一般都具有較高的潔凈要求（100級(jí)3x105級(jí)）2，需在手術(shù)層鄰近樓層放置大量的潔凈設(shè)備，同時(shí)受到床位要求及規(guī)劃要求的限制，潔凈設(shè)備所在樓層常被設(shè)計(jì)成低層高、大荷載的設(shè)備夾層。由于其鄰近的手術(shù)室或病房層的層高較高，造成設(shè)備夾層較大的剛度突變與地震作用突變，從而使下部的樓層形成薄弱層，降低了醫(yī)院建筑的抗震性能。針對這個(gè)問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般可采取

6、以下幾種處理措施：(1) 將設(shè)備技術(shù)夾層的梁柱按照鉸接處理，柱、墻上伸出牛腿，梁簡支在牛腿上，梁板與墻柱間留出空隙用柔性材料填充。設(shè)備層作為附加于牛腿上的附加荷載，結(jié)構(gòu)計(jì)算上將該層與相鄰樓層合起來按一層算，設(shè)備夾層梁均按簡支梁另外計(jì)算。(2) 通過設(shè)置斜梁或斜柱將上下層連成一體形成桁架，使設(shè)備層成為加強(qiáng)層，同時(shí)調(diào)整手術(shù)室與上部樓層層高，達(dá)到上下層剛度相近的要求。(3) 調(diào)整結(jié)構(gòu)布置與材料強(qiáng)度，改善結(jié)構(gòu)剛度。對設(shè)備夾層采取減小構(gòu)件截面，降低混凝土強(qiáng)度，在剪力墻上開洞，采取弱連梁或分體柱等措施；對于相鄰下部樓層則加大構(gòu)件截面，提高混凝土強(qiáng)度，局部增加抗側(cè)力構(gòu)件，加強(qiáng)連梁剛度。使上下樓層剛度接近并滿

7、足規(guī)范的相關(guān)要求，避免薄弱層的出現(xiàn)。一般上述方案均可有效解決剛度突變的問題，但也存在著以下不足：表1設(shè)備技術(shù)夾層剛度突變改善方案對比上海黃浦醫(yī)療中心深圳市婦兒醫(yī)院3建筑高度16層，58.45m16層，68m設(shè)防烈度77樓層高度14層4.05m，設(shè)備夾層2.2m，標(biāo)準(zhǔn)層3.6m12層4.5m，3層3.6m，45層4.2m，設(shè)備夾層2.1m，6層3.9m，標(biāo)準(zhǔn)層3.6m層剛度算法剪切剛度算法層間剪力比層間位移算法改善措施方案3：設(shè)備夾層以下增加剪力墻；以上降低砼標(biāo)號(hào),減小抗側(cè)力構(gòu)件截面方案1：設(shè)備技術(shù)夾層地板梁柱鉸接；降低設(shè)備夾層混凝土標(biāo)號(hào)處理效果四層與設(shè)備夾層側(cè)向剛度比達(dá)到0.78四層比上三層平

8、均側(cè)移剛度達(dá)到0.94五層與六層側(cè)向剛度比值達(dá)到0.73大于上部三層平均側(cè)移剛度的80% 方案1，設(shè)備層設(shè)為鉸接，設(shè)縫較多，牛腿影響美觀，施工困難，易出現(xiàn)漏水等問題，尤其是手術(shù)室的潔凈要求難以滿足。對此可考慮不設(shè)縫將框架梁面筋在支座處彎折至底筋附近，使其不承擔(dān)負(fù)彎矩，樓板、梁均不設(shè)縫，統(tǒng)一澆筑，用構(gòu)造鉸接的措施解決。但是，設(shè)備層設(shè)鉸后，會(huì)使計(jì)算高度大幅增加，可能導(dǎo)致薄弱層上移，豎向構(gòu)件受力也變得更復(fù)雜。方案2，設(shè)備夾層做成加強(qiáng)層，施工難度較大。一般醫(yī)院建筑很少出現(xiàn)超高層，而類似高度的建筑設(shè)加強(qiáng)層會(huì)提高造價(jià)，同時(shí)，由于設(shè)備層需要放置大量的設(shè)備及配套的管線，斜梁、斜柱的使用會(huì)對設(shè)備層使用造成困難，

9、因此該類方案一般較少采用。方案3，改變結(jié)構(gòu)布置及材料強(qiáng)度，調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，難以把握所用的措施對結(jié)構(gòu)的作用，一般需要對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行深入的分析及反復(fù)試算以后才能確定較為合理的方式。綜上所述，方案1、3較為合理，在醫(yī)療建筑的設(shè)計(jì)中也較多采用。以上述兩醫(yī)院為例，分別采用方案1與方案3，均有效解決了設(shè)備夾層引起的剛度突變。處理后，上海黃浦醫(yī)療中心在設(shè)備夾層、第五與第十層改變了三次構(gòu)件截面，在設(shè)備夾層處改變了一次材料強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜；而深圳市婦兒醫(yī)院，原第六層層高為3.6m，設(shè)備層設(shè)鉸后五、六層的剛度比僅0.68，薄弱層上移，將第六層層高提至3.9m后才滿足規(guī)范要求。2 使用功能引起的不規(guī)則結(jié)構(gòu)醫(yī)院

10、在設(shè)計(jì)中，通常上部為病房層，下部為醫(yī)技與手術(shù)樓層。由于使用功能的差異，下部樓層面積常遠(yuǎn)大于上部樓層，差異過大時(shí)，就形成了大底盤小塔樓的結(jié)構(gòu)形式。由于下部樓層的功能性、整體性較強(qiáng)，建筑常常難以在下部底盤部分設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，就形成了建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)4中規(guī)定的不規(guī)則結(jié)構(gòu)：如塔樓收進(jìn)過大，塔樓偏置，側(cè)向剛度突變，樓層承載力突變等。按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求應(yīng)采用空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，并按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析；當(dāng)為超限高層時(shí)，應(yīng)采用至少兩個(gè)不同力學(xué)模型的三維空間軟件進(jìn)行整體內(nèi)力位移計(jì)算。2.1不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震分析以上海黃浦醫(yī)療中心及湖北武漢新華醫(yī)院

11、為例（兩個(gè)工程均為4層裙房，總層數(shù)為16層，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)）。上海黃浦中心大底盤高16.2m為主樓總高的27.72，塔樓收進(jìn)尺寸為下層投影寬度的35.42,塔樓與大底盤的質(zhì)心偏心距與大底盤相應(yīng)邊長的比值為14.7%，豎向不規(guī)則；武漢新華醫(yī)院大底盤高17.05m為主樓總高27.6，塔樓收進(jìn)尺寸為下層投影寬度的60，塔樓與大底盤的質(zhì)心偏心距與大底盤相應(yīng)邊長的比值為22.9%，塔樓偏置過大，也屬豎向不規(guī)則。兩個(gè)工程均將設(shè)備夾層置于大底盤頂部，利用設(shè)備夾層補(bǔ)償由于塔樓面積縮小降低的剛度，同時(shí)采用前文所述第三類方案改善結(jié)構(gòu)剛度，使設(shè)備層上下剛度接近，降低由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則引起的地震作用突變?？梢钥闯鲭m然兩

12、個(gè)項(xiàng)目由于采用不同的剛度計(jì)算方式，剛度變化曲線也有區(qū)別，但是在設(shè)備層上下的規(guī)律是相同的，即設(shè)備夾層的存在使得該處的剛度有一定的加強(qiáng)，而由于樓層面積的減小，大底盤至塔樓剛度的變化趨勢總的來說是在減小。在采取上述的措施后，剛度變化不至于太大，總體滿足了規(guī)范中避免剛度突變過大的要求。(a)上海黃浦中心側(cè)向剛度曲線(b)武漢新華醫(yī)院側(cè)向剛度曲線圖1大底盤小塔樓結(jié)構(gòu)的剛度曲線由于塔樓偏置，塔樓與大底盤部分剛度中心與質(zhì)量中心偏差較大，結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。所以在裙房靠外側(cè)部分布置了與裙房等高的剪力墻來控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，根據(jù)彈性時(shí)程分析：上海黃浦中心最大層間位移比為1.48，武漢新華醫(yī)院的最大層間位移

13、為1.42，滿足規(guī)范要求；同時(shí)建筑物的地震力與位移角在總趨勢上也能形成相對比較平緩的變化。(a)上海黃浦中心時(shí)程分析位移角曲線(b)上海黃浦中心時(shí)程分析地震力曲線圖2上海黃浦中心彈性時(shí)程分析結(jié)果(a)武漢新華醫(yī)院時(shí)程分析位移角曲線(b)武漢新華醫(yī)院時(shí)程分析地震力曲線圖3武漢新華醫(yī)院彈性時(shí)程分析結(jié)果2.2 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)醫(yī)院在震災(zāi)中具有保障生命線的重要作用，設(shè)計(jì)類別也較一般建筑高，僅作常遇地震下的彈性分析是不夠的，還應(yīng)針對彈塑性工作狀態(tài)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)。目前，我國的規(guī)范對建筑抗震性能設(shè)防目標(biāo)提出了“三個(gè)水準(zhǔn)”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。在設(shè)計(jì)時(shí)分為兩個(gè)階段，第一階段進(jìn)行小震

14、下的彈性承載能力計(jì)算，第二階段則進(jìn)行彈塑性變形計(jì)算；與國內(nèi)不同，美國IBC規(guī)范將中震作為設(shè)計(jì)地震，并將結(jié)構(gòu)在具有彈塑性變形的中震作用下的設(shè)計(jì)荷載用延性系數(shù)來折減到彈性階段，同時(shí)用構(gòu)造措施來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的延性系數(shù) 5。中美規(guī)范實(shí)現(xiàn)延性性能方法不同，但都明確的提出結(jié)構(gòu)在地震力作用下應(yīng)該具有充分的延性能力。目前在性能設(shè)計(jì)中，我們采用“粱柱鉸機(jī)構(gòu)”6來保證結(jié)構(gòu)的塑性工作能力，依靠粱柱共同出鉸來耗散地震能量，即在一定程度上增大柱的抗彎能力，同時(shí)控制柱軸壓比，使柱端具有有限的延性能力且不致壓潰，柱端可能進(jìn)入屈服，但梁鉸出現(xiàn)塑性鉸的機(jī)會(huì)更多更早，塑性轉(zhuǎn)動(dòng)較大。并通過構(gòu)造措施保證塑性鉸具有所需的耗能能力，同時(shí)增大

15、柱、墻端的剪力設(shè)計(jì)值保證結(jié)構(gòu)在延性發(fā)揮出來之前不出現(xiàn)非延性的剪切破壞。仍以以上兩個(gè)工程為例，采用MIDAS軟件對結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了靜力彈塑性PUSHOVER分。(a)上海黃浦中心中震作用塑性鉸分布(b)上海黃浦中心大震作用塑性鉸分布圖4上海黃浦中心PUSHOVER分析結(jié)果(a)武漢新華醫(yī)院中震作用塑性鉸分布(b)武漢新華醫(yī)院大震作用塑性鉸分布圖5武漢新華醫(yī)院PUSHOVER分析結(jié)果首先，從分析結(jié)果可以看出，柱、墻鉸出現(xiàn)的時(shí)間與數(shù)量均低于梁鉸，中震下基本不出現(xiàn)，能滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求，但柱、墻鉸首先出現(xiàn)的位置除了底部加強(qiáng)層外也包括了塔樓的底部23層，因此對于這些部位，柱、墻的抗震構(gòu)造措施需要引起重

16、視，同時(shí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位應(yīng)提升至大底盤以上兩層；其次，雖然結(jié)構(gòu)形式與樓層高度都相近，但由于抗震設(shè)計(jì)烈度不同，為了滿足位移要求，上海黃埔中心的結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于武漢新華醫(yī)院。這樣雖能滿足了小震下的變形要求，但通過對比計(jì)算發(fā)現(xiàn)，相同的位移條件下，前者吸收了更多的地震力，出現(xiàn)塑性鉸的數(shù)量也遠(yuǎn)超后者。因此在抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)在滿足變形要求的同時(shí)盡量避免結(jié)構(gòu)剛度過大；最后，比較PUSHOVER的加荷步驟可以看出在地震作用下結(jié)構(gòu)梁出現(xiàn)塑性鉸的位置依次為：連梁與剪力墻連接的框架梁邊框架梁普通框架梁。其中連梁及與剪力墻連接的框架梁作為傳遞剪力墻與框架兩道防線之間地震力的聯(lián)系構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)的抗震中起到消耗地震能量的作

17、用，規(guī)范對于連梁計(jì)算與構(gòu)造措施做了詳細(xì)的規(guī)定，但是對于連系框架柱與剪力墻的框架梁僅按照普通框架考慮顯然是不夠的，尤其是當(dāng)跨高比較小時(shí)更容易出現(xiàn)剪切裂縫，建議在設(shè)計(jì)中也應(yīng)該采用連梁的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)算，構(gòu)造措施應(yīng)與連梁相同。3樓梯間對抗震性能的影響5.12汶川地震中，結(jié)構(gòu)的各類破壞中樓梯破壞多有發(fā)生，這改變了工程界普遍對樓梯抗震不夠重視的現(xiàn)狀。以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中整體模型計(jì)算不考慮樓梯作用，樓梯僅考慮靜力工作狀態(tài)，而在修訂后的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中專門提出了“計(jì)算中應(yīng)考慮樓梯構(gòu)件的影響”的要求。醫(yī)療建筑作為保障生命線的重要建筑，更應(yīng)該重視樓梯的影響。過往的文獻(xiàn)78大部分集中討論了樓梯對框架結(jié)構(gòu)的影響，但實(shí)

18、際上，對不同的結(jié)構(gòu)形式樓梯構(gòu)件對計(jì)算結(jié)果的影響也不相同。上海黃浦醫(yī)療中心為16層框剪結(jié)構(gòu)體系，朱家角醫(yī)院為7層框架結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度均為7度區(qū)，場地均為上海類場地。在不考慮樓梯作用的模型中不計(jì)算樓梯間的樓板厚度，樓梯自重與豎向荷載都作為均布荷載布置在樓梯間；在考慮樓梯作用的模型中將梯板簡化為斜梁，梯柱作為集中力，荷載與不考慮樓梯間時(shí)相同。表2樓梯對結(jié)構(gòu)抗震性能影響的對比上海黃浦醫(yī)療中心(框剪結(jié)構(gòu))朱家角醫(yī)院(框架結(jié)構(gòu))不考慮樓梯考慮樓梯誤差不考慮樓梯考慮樓梯誤差T11.6171.602-1.0%1.1191.075-4.0%T21.4741.462-0.8%1.0721.052-1.9%T

19、31.3841.101-20.5%1.0240.910-11%X向最大位移角1/8901/924-3.7%1/5971/619-3.6%X向最大位移比1.071.05-1.9%1.081.11+2.8%Y向最大位移角1/8171/810+0.9%1/6471/557+16.2%Y向最大位移比1.241.18-4.8%1.111.38+24.3%對比發(fā)現(xiàn)，考慮樓梯間的作用，框架結(jié)構(gòu)所受的影響大于剛度較大的框剪結(jié)構(gòu)。上海黃浦醫(yī)療中心的樓梯間置于剪力墻筒體內(nèi)，樓梯形成的斜撐對筒體側(cè)向剛度影響不大，因此對于結(jié)構(gòu)影響較小，考慮樓梯間后扭轉(zhuǎn)為主的周期減小了20.5%，最大位移角也均有減小，反而對于結(jié)構(gòu)的抗

20、震特性有所提高，由于扭轉(zhuǎn)等不利效應(yīng)的減弱，部分連梁內(nèi)力減小了10%20%；對框架結(jié)構(gòu)而言，樓梯梯板及梯梁、梯柱與周邊原有的框架形成了一個(gè)在上下層間傳遞地震力的結(jié)構(gòu)體系，較大改變了結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的剛度規(guī)律，也使地震力往樓梯間周邊集中，對比朱家角醫(yī)院的計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，考慮樓梯作用后，樓梯間周邊的框架柱在地震力作用下的地震剪力增幅最大甚至可以達(dá)到67%，而周邊框架梁的受力也有不小的影響。4結(jié)語醫(yī)院建筑的設(shè)計(jì)為了滿足其特殊的功能及設(shè)備要求，常會(huì)遇到剛度突變，塔樓偏置等不利因素，而這類建筑的重要性又要求我們不僅要保證醫(yī)院主體結(jié)構(gòu)還需要保證樓梯結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。本文針對以上情況進(jìn)行分析與比較，嘗試提出了可行的方案，并論證方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的利弊，得到