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1、醫院建筑抗震特性分析及結構設計吳筑海，邵兵（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002）摘要醫院設計需要滿足特殊的功能及設備要求，因此在結構抗震設計時具有與其他類型建筑不同的特點。針對醫院建筑的剛度突變、結構不規則等特點進行了抗震彈性及彈塑性分析，并結合不同的結構類型探討了樓梯對結構的影響?？偨Y了醫院建筑在抗震設計中常見的問題及解決方案。關鍵詞醫院建筑；設備夾層；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 cha3、nge 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引言近幾年來，醫院4、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部門所重視，尤其在5.12汶川地震之后，針對醫療建筑提出了更為嚴格的抗震要求。2008年版的建筑工程抗震設防分類標準中特別指出：二、三級醫院及“具有外科手術室或急診科的鄉鎮衛生院”抗震設防類別應為重點設防類，而承擔特別重要醫療任務的三級醫院則需提高到特殊設防類1。醫院建筑由于其特殊的功能及設備要求，在抗震設計中具有與其它類型建筑不同的特點。例如：為滿足手術室的潔凈要求設置的設備夾層一般層高低且剛度大，容易形成剛度突變；醫院需要在同一單體中實現不同的使用功能也常會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則結構；根據以往震災的5、經驗，在各類震害中樓梯破壞多有發生，而在醫院建筑中樓梯在抗震救災時擔負了疏散人員，保證生命安全的作用，更應引起重視。針對以上特點本文結合不同的結構類型與抗震設防要求進行計算與分析，并提出了相應的解決方案。1設備技術樓層引起的剛度突變醫院外科手術室一般都具有較高的潔凈要求（100級3x105級）2，需在手術層鄰近樓層放置大量的潔凈設備，同時受到床位要求及規劃要求的限制，潔凈設備所在樓層常被設計成低層高、大荷載的設備夾層。由于其鄰近的手術室或病房層的層高較高，造成設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，降低了醫院建筑的抗震性能。針對這個問題，在結構設計中一般可采取以下幾種6、處理措施：(1) 將設備技術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。設備層作為附加于牛腿上的附加荷載，結構計算上將該層與相鄰樓層合起來按一層算，設備夾層梁均按簡支梁另外計算。(2) 通過設置斜梁或斜柱將上下層連成一體形成桁架，使設備層成為加強層，同時調整手術室與上部樓層層高，達到上下層剛度相近的要求。(3) 調整結構布置與材料強度，改善結構剛度。對設備夾層采取減小構件截面，降低混凝土強度，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件截面，提高混凝土強度，局部增加抗側力構件，加強連梁剛度。使上下樓層剛度接近并滿足規范的7、相關要求，避免薄弱層的出現。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設備技術夾層剛度突變改善方案對比上海黃浦醫療中心深圳市婦兒醫院3建筑高度16層，58.45m16層，68m設防烈度77樓層高度14層4.05m，設備夾層2.2m，標準層3.6m12層4.5m，3層3.6m，45層4.2m，設備夾層2.1m，6層3.9m，標準層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：設備夾層以下增加剪力墻；以上降低砼標號,減小抗側力構件截面方案1：設備技術夾層地板梁柱鉸接；降低設備夾層混凝土標號處理效果四層與設備夾層側向剛度比達到0.78四層比上三層平均側移剛8、度達到0.94五層與六層側向剛度比值達到0.73大于上部三層平均側移剛度的80% 方案1，設備層設為鉸接，設縫較多，牛腿影響美觀，施工困難，易出現漏水等問題，尤其是手術室的潔凈要求難以滿足。對此可考慮不設縫將框架梁面筋在支座處彎折至底筋附近，使其不承擔負彎矩，樓板、梁均不設縫，統一澆筑，用構造鉸接的措施解決。但是，設備層設鉸后，會使計算高度大幅增加，可能導致薄弱層上移，豎向構件受力也變得更復雜。方案2，設備夾層做成加強層，施工難度較大。一般醫院建筑很少出現超高層，而類似高度的建筑設加強層會提高造價，同時，由于設備層需要放置大量的設備及配套的管線，斜梁、斜柱的使用會對設備層使用造成困難，因此該類9、方案一般較少采用。方案3，改變結構布置及材料強度，調整結構剛度，難以把握所用的措施對結構的作用，一般需要對結構的抗震性能進行深入的分析及反復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，在醫療建筑的設計中也較多采用。以上述兩醫院為例，分別采用方案1與方案3，均有效解決了設備夾層引起的剛度突變。處理后，上海黃浦醫療中心在設備夾層、第五與第十層改變了三次構件截面，在設備夾層處改變了一次材料強度，轉換較為復雜；而深圳市婦兒醫院，原第六層層高為3.6m，設備層設鉸后五、六層的剛度比僅0.68，薄弱層上移，將第六層層高提至3.9m后才滿足規范要求。2 使用功能引起的不規則結構醫院在設計中10、，通常上部為病房層，下部為醫技與手術樓層。由于使用功能的差異，下部樓層面積常遠大于上部樓層，差異過大時，就形成了大底盤小塔樓的結構形式。由于下部樓層的功能性、整體性較強，建筑常常難以在下部底盤部分設置結構縫，就形成了建筑抗震設計規范(2008年版)4中規定的不規則結構：如塔樓收進過大，塔樓偏置，側向剛度突變，樓層承載力突變等。按建筑抗震設計規范要求應采用空間模型進行結構分析計算，用時程分析法進行多遇地震下的補充計算，并按有關規定進行彈塑性變形分析；當為超限高層時，應采用至少兩個不同力學模型的三維空間軟件進行整體內力位移計算。2.1不規則結構的抗震分析以上海黃浦醫療中心及湖北武漢新華醫院為例（兩11、個工程均為4層裙房，總層數為16層，框架-剪力墻結構）。上海黃浦中心大底盤高16.2m為主樓總高的27.72，塔樓收進尺寸為下層投影寬度的35.42,塔樓與大底盤的質心偏心距與大底盤相應邊長的比值為14.7%，豎向不規則；武漢新華醫院大底盤高17.05m為主樓總高27.6，塔樓收進尺寸為下層投影寬度的60，塔樓與大底盤的質心偏心距與大底盤相應邊長的比值為22.9%，塔樓偏置過大，也屬豎向不規則。兩個工程均將設備夾層置于大底盤頂部，利用設備夾層補償由于塔樓面積縮小降低的剛度，同時采用前文所述第三類方案改善結構剛度，使設備層上下剛度接近，降低由于結構不規則引起的地震作用突變?？梢钥闯鲭m然兩個項目由12、于采用不同的剛度計算方式，剛度變化曲線也有區別，但是在設備層上下的規律是相同的，即設備夾層的存在使得該處的剛度有一定的加強，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，總體滿足了規范中避免剛度突變過大的要求。 (a)上海黃浦中心側向剛度曲線(b)武漢新華醫院側向剛度曲線圖1大底盤小塔樓結構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量中心偏差較大，結構容易產生整體扭轉效應。所以在裙房靠外側部分布置了與裙房等高的剪力墻來控制結構的扭轉效應，根據彈性時程分析：上海黃浦中心最大層間位移比為1.48，武漢新華醫院的最大層間位移為1.13、42，滿足規范要求；同時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)上海黃浦中心時程分析位移角曲線(b)上海黃浦中心時程分析地震力曲線圖2上海黃浦中心彈性時程分析結果(a)武漢新華醫院時程分析位移角曲線(b)武漢新華醫院時程分析地震力曲線圖3武漢新華醫院彈性時程分析結果2.2 不規則結構的性能設計醫院在震災中具有保障生命線的重要作用，設計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，還應針對彈塑性工作狀態進行性能設計。目前，我國的規范對建筑抗震性能設防目標提出了“三個水準”的設計目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。在設計時分為兩個階段，第一階段進行小震下的彈14、性承載能力計算，第二階段則進行彈塑性變形計算；與國內不同，美國IBC規范將中震作為設計地震，并將結構在具有彈塑性變形的中震作用下的設計荷載用延性系數來折減到彈性階段，同時用構造措施來實現相應的延性系數 5。中美規范實現延性性能方法不同，但都明確的提出結構在地震力作用下應該具有充分的延性能力。目前在性能設計中，我們采用“粱柱鉸機構”6來保證結構的塑性工作能力，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，柱端可能進入屈服，但梁鉸出現塑性鉸的機會更多更早，塑性轉動較大。并通過構造措施保證塑性鉸具有所需的耗能能力，同時增大柱、墻15、端的剪力設計值保證結構在延性發揮出來之前不出現非延性的剪切破壞。仍以以上兩個工程為例，采用MIDAS軟件對結構分別進行了靜力彈塑性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分析結果(a)武漢新華醫院中震作用塑性鉸分布(b)武漢新華醫院大震作用塑性鉸分布圖5武漢新華醫院PUSHOVER分析結果首先，從分析結果可以看出，柱、墻鉸出現的時間與數量均低于梁鉸，中震下基本不出現，能滿足“強柱弱梁”的要求，但柱、墻鉸首先出現的位置除了底部加強層外也包括了塔樓的底部23層，因此對于這些部位，柱、墻的抗震構造措施需要引起重視，同16、時剪力墻的底部加強部位應提升至大底盤以上兩層；其次，雖然結構形式與樓層高度都相近，但由于抗震設計烈度不同，為了滿足位移要求，上海黃埔中心的結構剛度遠大于武漢新華醫院。這樣雖能滿足了小震下的變形要求，但通過對比計算發現，相同的位移條件下，前者吸收了更多的地震力，出現塑性鉸的數量也遠超后者。因此在抗震設計中，應在滿足變形要求的同時盡量避免結構剛度過大；最后，比較PUSHOVER的加荷步驟可以看出在地震作用下結構梁出現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系構件，在結構的抗震中起到消耗地震能量的作用，規17、范對于連梁計算與構造措施做了詳細的規定，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，尤其是當跨高比較小時更容易出現剪切裂縫，建議在設計中也應該采用連梁的設計方法進行驗算，構造措施應與連梁相同。3樓梯間對抗震性能的影響5.12汶川地震中，結構的各類破壞中樓梯破壞多有發生，這改變了工程界普遍對樓梯抗震不夠重視的現狀。以往的結構設計中整體模型計算不考慮樓梯作用，樓梯僅考慮靜力工作狀態，而在修訂后的建筑抗震設計規范中專門提出了“計算中應考慮樓梯構件的影響”的要求。醫療建筑作為保障生命線的重要建筑，更應該重視樓梯的影響。過往的文獻78大部分集中討論了樓梯對框架結構的影響，但實際上，18、對不同的結構形式樓梯構件對計算結果的影響也不相同。上海黃浦醫療中心為16層框剪結構體系，朱家角醫院為7層框架結構體系，抗震設防烈度均為7度區，場地均為上海類場地。在不考慮樓梯作用的模型中不計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相同。表2樓梯對結構抗震性能影響的對比上海黃浦醫療中心(框剪結構)朱家角醫院(框架結構)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%T31.19、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%對比發現，考慮樓梯間的作用，框架結構所受的影響大于剛度較大的框剪結構。上海黃浦醫療中心的樓梯間置于剪力墻筒體內，樓梯形成的斜撐對筒體側向剛度影響不大，因此對于結構影響較小，考慮樓梯間后扭轉為主的周期減小了20.5%，最大位移角也均有減小，反而對于結構的抗震特性20、有所提高，由于扭轉等不利效應的減弱，部分連梁內力減小了10%20%；對框架結構而言，樓梯梯板及梯梁、梯柱與周邊原有的框架形成了一個在上下層間傳遞地震力的結構體系，較大改變了結構局部區域的剛度規律，也使地震力往樓梯間周邊集中，對比朱家角醫院的計算后發現，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到67%，而周邊框架梁的受力也有不小的影響。4結語醫院建筑的設計為了滿足其特殊的功能及設備要求，常會遇到剛度突變，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院主體結構還需要保證樓梯結構在地震作用下的安全。本文針對以上情況進行分析與比較，嘗試提出了可行的方21、案，并論證方案在結構設計中的利弊，得到如下結論。（1）對于設備夾層的剛度突變建議采用設備層梁柱設鉸或調整結構布置與材料強度的方式加以改善；將設備夾層作為加強層雖然在結構上可行，但由于對設備使用影響較大不建議使用。（2）對醫院大底盤小塔樓的結構形式不僅應避免剛度突變還需注意由于塔樓偏置引起的扭轉效應。根據結構的彈塑性分析，在設計時應將底部加強層提高至少到塔樓23層；同時控制結構剛度以保證結構的延性工作能力；在設計中應重視傳遞及消耗地震力的水平構件的設計，這其中除了剪力墻連梁外還包括連系剪力墻的框架梁。（3）對于不同的結構形式，樓梯在地震作用下所起的作用是不同的，對于框架結構，由于樓梯改變了地震力22、傳遞的方式且與框架梁、柱形成了不同的結構體系，對醫院結構抗震能力造成的影響遠大于框剪結構。參 考 文 獻1GB20223-2008，建筑工程抗震設防分類標準 S2GB50333-2002，醫院潔凈手術部建筑技術規范 S3呂永清，深圳市婦兒醫院框架短柱處理措施討論J，山西建筑，2003，29(12)：21-224GB50011-2001，建筑抗震設計規范 S5劉薇，中美兩國學校和醫院房屋的抗震設計對比J，工程抗震與加固改造，2009，31(5):74-806劉旭濤，馬風雷，提高砼結構延性及設防烈度的基本抗震思想J，中國新技術新產品，2009，21：181-1827張望喜等，“5.12”汶川地震災區典型教學樓框架與樓梯共同工作性能J，建筑科學與工程學報2009，26(2):38-458申躍奎，張濤，框架結構樓梯的震害分析與設計對策J，建筑結構，2009，11：72-74