某醫(yī)療鋼結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計與性能分析

付仰強， 張同億

(中國中元國際工程有限公司， 北京 100089)

0 前言

醫(yī)療建筑功能定位于服務(wù)病患特殊群體，屬于重要的生命線工程[1]，在地震作用下，若僅做到“大震不倒”，難以保證醫(yī)療功能不間斷。同時，為滿足醫(yī)療建筑功能及體型的特殊需要，往往難以避免結(jié)構(gòu)平面及豎向的不規(guī)則問題，為此對醫(yī)療建筑的抗震設(shè)計提出了更高的要求。

隔震技術(shù)通過在結(jié)構(gòu)底部增設(shè)同時具有水平大變形、豎向大承載能力的隔震支座，可延長結(jié)構(gòu)體系的自振周期，避開地震動的卓越周期，明顯降低上部結(jié)構(gòu)所受的地震作用，在實際工程中應(yīng)用較多，并經(jīng)受了實際地震作用的考驗[2-5]。目前隔震結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用分部設(shè)計法，即依據(jù)隔震模型與非隔震模型的樓層剪力比(高層結(jié)構(gòu)需同時考慮傾覆力矩比)確定水平向減震系數(shù)，進(jìn)而依據(jù)考慮減震系數(shù)的地震影響系數(shù)，采用上部結(jié)構(gòu)非隔震模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計[6]。分部設(shè)計法通過兩階段的分析設(shè)計，避免了引入隔震支座帶來的非比例阻尼問題，操作簡便，但非隔震模型忽略了隔震后上部結(jié)構(gòu)動力特性的變化，僅考慮了全樓統(tǒng)一的地震作用的折減，難以反映隔震結(jié)構(gòu)真實的動力響應(yīng)。直接分析法采用隔震支座+上部結(jié)構(gòu)的整體模型分析，基于設(shè)防地震水準(zhǔn)設(shè)計，可采用非線性時程分析或等效反應(yīng)譜分析，時程分析的精度受到地震波隨機性和離散性的影響較大，等效反應(yīng)譜分析需要合理考慮隔震支座非線性力學(xué)性能等效參數(shù)及非比例阻尼的影響[7-9]。

本文基于抗震設(shè)防烈度為8度的某醫(yī)療鋼結(jié)構(gòu)建筑，分別采用分部設(shè)計法、直接分析設(shè)計法進(jìn)行隔震設(shè)計，對不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析評價，并與抗震結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行對比，研究隔震技術(shù)對于醫(yī)療鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 工程概況

本工程建筑為某三級綜合醫(yī)院的門診醫(yī)技用房，建筑平面尺寸為84.6m×55.2m，首層層高5.4m，2～5層層高4.5m，結(jié)構(gòu)高度23.4m。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，主體結(jié)構(gòu)安全等級為一級。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40s，50年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)基本風(fēng)壓取0.40kN/m2，地面粗糙度類別為B類。主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件截面尺寸：箱形框架柱截面尺寸為500×500×20，400×400×20；工字形框架梁截面尺寸為600×250×12×20，500×200×10×16；工字形次梁截面尺寸為400×150×8×12，間距為2.7～3.3m，次梁按組合梁設(shè)計。典型建筑平面圖如圖1所示，樓板采用鋼筋桁架樓承板，樓板厚度為120mm。

圖1 結(jié)構(gòu)典型建筑平面示意

2 隔震層設(shè)計

隔震層設(shè)計包括隔震支座選型、偏心率控制、水平剛度及阻尼參數(shù)的選擇、屈重比驗算、隔震層抗風(fēng)驗算、大震作用下水平變形驗算、最大壓應(yīng)力驗算及最大拉應(yīng)力驗算。其中，隔震支座選型、偏心率控制、水平剛度及阻尼參數(shù)的選擇為隔震設(shè)計的關(guān)鍵問題。

2.1 隔震支座選型

隔震支座選型布置首先由豎向荷載下的壓應(yīng)力確定。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[6](簡稱抗震規(guī)范)，對于乙類建筑，隔震支座在重力荷載代表值下的豎向壓應(yīng)力限值取12MPa，結(jié)合本工程重力荷載作用下的豎向構(gòu)件軸力分布，確定的隔震支座的初步選型參數(shù)如表1所示。隔震支座采用普通橡膠支座+鉛芯橡膠支座，為增大隔震層的抗扭剛度，鉛芯橡膠支座沿結(jié)構(gòu)周邊布置。隔震支座布置及重力荷載代表值下的壓應(yīng)力見圖2。

圖2 隔震支座布置及重力荷載代表值下的壓應(yīng)力

隔震支座的初步選型參數(shù) 表1

2.2 隔震層偏心率

考慮上部結(jié)構(gòu)荷載的隔震層質(zhì)心坐標(biāo)xc，yc計算公式如式(1)所示，隔震層剛心坐標(biāo)xk，yk計算公式如式(2)所示。

(1)

(2)

將mi=[σe]Ai/g，Ki=GAi/H分別代入式(1)，(2)可得：

(3)

(4)

式中：[σe]為支座單位面積容許設(shè)計荷載；H為橡膠支座厚度；G為剪切模量；Ai為第i個支座的截面面積；xi，yi，mi，Kxi，Kyi分別為第i個支座的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、質(zhì)量、X向剛度及Y向剛度。

由式(3)，(4)可知，按照上部結(jié)構(gòu)豎向荷載分布選定的隔震支座，在隔震支座面壓及上部結(jié)構(gòu)剛度均勻的前提下，考慮上部結(jié)構(gòu)荷載的隔震層質(zhì)心與隔震層剛度中心基本重合。實際工程中，需綜合考慮隔震支座的變形能力和阻尼分布來調(diào)整隔震支座的布置，由此引起的支座面壓不均勻及支座類型調(diào)整會引入一定的偏心。本案例考慮上部結(jié)構(gòu)荷載的隔震層質(zhì)心與隔震層剛心的偏心率為1.85%，滿足偏心率不大于3.0%的要求。

2.3 隔震支座水平剛度及阻尼

隔震體系可近似為單質(zhì)點體系，單質(zhì)點運動方程為：

(5)

(6)

(7)

圖3，4分別為加速度比與頻率比的關(guān)系、位移比與頻率比的關(guān)系曲線圖。由圖可以看出，隨著地震輸入頻率與隔震結(jié)構(gòu)自振頻率比的增加，加速度比、位移比在頻率比為1.0附近達(dá)到峰值，隨著頻率比大于1.0，加速度比逐步減小，位移比逐步趨近于1.0；當(dāng)頻率比大于1.0時，隔震阻尼比增加可減小隔震體系的相對位移，但對加速度比有放大作用，阻尼比需控制在合理取值范圍內(nèi)；頻率比達(dá)到3.0，隔震結(jié)構(gòu)的加速度相對于地震輸入可減小80%以上，隔震結(jié)構(gòu)相對于地面的位移接近于地面位移，即隔震結(jié)構(gòu)的絕對位移很小。

式中：d為隔震支座直徑；S2為支座第2形狀系數(shù)；G為橡膠材料的剪切模量。

取G=0.44MPa，S2=5.0，則隔震結(jié)構(gòu)自振周期與隔震支座直徑的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖可知，隔震支座直徑為300～1 400mm時，隔震結(jié)構(gòu)的水平自振周期介于2.0～6.0s之間，按照水平剛度與豎向剛度的比例關(guān)系，推算出豎向自振周期介于0.05～0.10s之間。考慮到常見Ⅱ，Ⅲ類場地特征周期介于0.35～0.65s之間，水平頻率比約為3.0以上，豎向頻率比在0.08～0.28之間。結(jié)合圖3，4可知，合理控制隔震支座水平剛度及阻尼比，隔震后水平隔震效率可達(dá)80%以上，但豎向隔震效果并不明顯。

圖3 加速度比與頻率比關(guān)系

圖4 位移比與頻率比關(guān)系

圖5 隔震結(jié)構(gòu)自振周期與隔震支座直徑關(guān)系

混凝土結(jié)構(gòu)自重大、自振周期短，多層混凝土結(jié)構(gòu)自振周期一般在0.5～1.0s之間，采用隔震技術(shù)后自振周期延長3倍以上，一般可實現(xiàn)地震作用降低1～1.5度。應(yīng)用隔震技術(shù)的實際工程較多，對于鋼結(jié)構(gòu)體系，鋼材本身延性優(yōu)于混凝土，且鋼結(jié)構(gòu)自重輕、自振周期長，綜合考慮隔震效率及隔震位移滿足要求的前提下，隔震鋼結(jié)構(gòu)所受地震作用一般可降低0.5～1.0度，實際工程中隔震鋼結(jié)構(gòu)已有具體應(yīng)用[10-11]。

2.4 醫(yī)療設(shè)備安全

地震發(fā)生時，醫(yī)療建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備不發(fā)生滑移、傾覆破壞，對于保持醫(yī)療功能的不間斷意義重大。地震作用下，設(shè)備狀態(tài)與設(shè)備獲得的加速度有直接關(guān)系。

若使設(shè)備不發(fā)生滑移，慣性力需不大于靜摩擦力，即：

m0a0≤μ0m0(g-av)

(8)

近似考慮豎向加速度av=0.65a0，則有：

(9)

若使設(shè)備不發(fā)生傾覆，傾覆力矩需不大于抗傾覆力矩，即：

N2b0+m0a0h0≤m0avb0+m0gb0

(10)

設(shè)備與樓面不發(fā)生脫離，即樓面對設(shè)備的支撐力N≥0，av=0.65a0，代入式(10)可得：

(11)

由式(10)，(11)可得，醫(yī)療設(shè)備不發(fā)生滑移、傾覆的加速度控制條件為：

(12)

式中：m0為設(shè)備重量；h0為設(shè)備高度；b0為底部短向?qū)挾?；?為設(shè)備底部與樓面之間的摩擦系數(shù)；a0為設(shè)備獲得的水平加速度；av為設(shè)備獲得的豎向加速度。

醫(yī)療設(shè)備的高寬比為2.5～3.0，根據(jù)式(12)，地震作用下允許的最大加速度為250～300gal。結(jié)合本文式(6)，可得隔震技術(shù)可顯著降低醫(yī)療建筑結(jié)構(gòu)的地震加速度，對內(nèi)部醫(yī)療設(shè)備的穩(wěn)定安全具有重要意義。

3 隔震結(jié)構(gòu)分析與評價

分別采用直接分析法、分部設(shè)計法進(jìn)行隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立的模型分別為模型1、模型2。其中直接分析法基于設(shè)防地震水準(zhǔn)，采用基于復(fù)模態(tài)的CCQC反映譜法設(shè)計，既避免了時程分析法中地震動隨機性造成的大量時程輸入，又可以較為準(zhǔn)確地處理隔震結(jié)構(gòu)中的非比例阻尼的問題。為對比說明隔震結(jié)構(gòu)的抗震效果，增加抗震模型(模型3)進(jìn)行對比分析。

3.1 等效線性分析

模型1中的隔震結(jié)構(gòu)按等效線性反應(yīng)譜設(shè)計，采用基于復(fù)模態(tài)的反應(yīng)譜振型分解法(CCQC)，該反應(yīng)譜法可以考慮上部結(jié)構(gòu)與隔震支座的阻尼比的差異，完整考慮非比例阻尼矩陣的作用。隔震支座的等效參數(shù)通過多次迭代計算確定，隔震層總水平剛度為124.9kN/mm，隔震層總阻尼比為15.3%。

針對模型2，首先進(jìn)行了中震作用下減震系數(shù)計算，選取5條天然波+2條人工波計算得到的減震系數(shù)平均值見表2。按照抗震規(guī)范要求，模型2的上部結(jié)構(gòu)按照降半度進(jìn)行設(shè)計，即按照抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)的非隔震模型進(jìn)行等效分析設(shè)計。

模型2樓層減震系數(shù)平均值 表2

各模型等效線性分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)動力特性如表3所示。由表可知，模型1自振周期分別為模型2、模型3自振周期的1.9，2.1倍；模型2、模型3相較于模型1，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量有所增加，增加的質(zhì)量主要是構(gòu)件自重；由于模型1采用的是中震設(shè)計，其最大層間位移分別為模型2、模型3最大層間位移的1.7，1.4倍，基底剪力分別為模型2、模型3基底剪力的2.4，1.7倍。

各模型等效線性分析結(jié)果及結(jié)構(gòu)動力特性 表3

3.2 動力時程分析

為對比說明上述不同模型的結(jié)構(gòu)抗震性能，進(jìn)行同時考慮結(jié)構(gòu)非線性與隔震支座非線性的動力時程分析。以罕遇地震作用下人工波輸入為例，分析不同模型的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及耗能情況。

結(jié)構(gòu)層間位移角及樓層剪力響應(yīng)分別如圖6，7所示。由圖可以看出：模型1層間位移角最小，模型3層間位移角最大；模型1與模型2樓層剪力分布接近，模型3樓層剪力約為模型1樓層剪力的1.6～2.7倍。

圖6 結(jié)構(gòu)層間位移角

圖7 樓層剪力

結(jié)構(gòu)樓層加速度分布如圖8所示。由圖可知，與模型3相比，模型1與模型2的樓層加速度沿樓層分布較為均勻，樓層最大加速度為224gal；模型3樓層加速度沿樓層高度逐層放大，3層加速度超過250gal，最大樓層加速度為380gal，超過設(shè)備穩(wěn)定安全的允許加速度限值。

圖8 樓層加速度

結(jié)構(gòu)耗能及構(gòu)件損毀程度分布如圖9，10所示，由圖可知，與模型3相比，模型1與模型2的地震輸入能量有所增加，但隔震層中的鉛芯橡膠支座有耗能作用，結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)變能明顯降低，有利地避免了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服及耗能，構(gòu)件的損毀程度明顯減輕，損壞構(gòu)件數(shù)量明顯減少，其中模型1構(gòu)件損毀程度最輕，損毀構(gòu)件數(shù)量最少。

圖9 結(jié)構(gòu)耗能

圖10 構(gòu)件損壞程度

4 結(jié)論

(1)基礎(chǔ)隔震可以顯著降低主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，減輕主體結(jié)構(gòu)的耗能及減少構(gòu)件損毀數(shù)量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)安全。

(2)與采用分部設(shè)計法基于小震彈性設(shè)計的模型2相比，采用直接分析法基于中震彈性設(shè)計的模型1的主體結(jié)構(gòu)的抗震性能有所提升。

(3)隔震技術(shù)對于鋼結(jié)構(gòu)體系的意義在于提升整體結(jié)構(gòu)抗震性能的同時，可以顯著減小建筑內(nèi)部設(shè)備、儀器的加速度，避免滑移、傾覆造成的破壞，對于醫(yī)療功能不能中斷的生命線工程，地震作用下醫(yī)療設(shè)備安全具有重要價值。