某大底板多塔隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計

于森林, 顧振華, 韋勁宏, 陳 儀, 楊 陽, 馬 靜, 張 然

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

昆明市第二人民醫(yī)院新院位于云南省昆明市盤龍區(qū)龍泉街道辦事處上壩社區(qū)北京路延長線以東,華潤中央公園小區(qū)以北,東側(cè)為昆明繞城高速。項目總用地面積為38 611.18m2,總建筑面積為155 575.2m2,其中地上共17層,總高75.6m,建筑功能為醫(yī)療綜合樓,建筑面積為99 559.05 m2;地下共2層,總高12m,建筑功能為車庫,建筑面積為53 781.78 m2。整體效果圖如圖1所示。

醫(yī)療綜合樓地上部分通過防震縫劃分為5個結(jié)構(gòu)單元,分縫平面圖見圖2。塔樓部分采用框架-剪力墻體系,塔樓底部2～4層采用了鋼板剪力墻,裙樓部分采用框架結(jié)構(gòu)體系,整體采用了隔震技術(shù),隔震部位為地下室頂板。塔樓最大結(jié)構(gòu)高度為75.6m,裙房1結(jié)構(gòu)高度為24.25m,為高層建筑。裙房2結(jié)構(gòu)高度為19.5m,為多層建筑。地下2層,埋深約12m,嵌固部位為地下室頂板。

圖2 醫(yī)療綜合樓地上結(jié)構(gòu)分縫平面圖

本工程地處8度區(qū)[1-2],為三甲醫(yī)院的門診、醫(yī)技、住院用房,抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類。擬建場地為中軟土,建筑場地為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第一組,設(shè)計基本地震加速度為0.2g,場地特征周期為0.52s。

2 結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

2.1 隔震技術(shù)的運用

根據(jù)《建設(shè)工程抗震管理條例》第十六條,位于高烈度地區(qū)的醫(yī)院,應(yīng)采用隔震、減震技術(shù),保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時能夠滿足正常使用要求。同時,《云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定》第三條規(guī)定,醫(yī)院建筑應(yīng)采用隔震、減震技術(shù)。本項目最終采用了隔震技術(shù),主要基于以下兩方面的考慮。

(1)安全性:隔震是在建筑物底部或某個部位設(shè)置隔震支座,人為地使結(jié)構(gòu)的上、下部分相對隔離,減少地震能量向建筑的傳遞,維持上部結(jié)構(gòu)功能,保障生命安全。

(2)適用性:利用隔震層產(chǎn)生的大位移和阻尼達到耗散地震能量目的,從而減小上部結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力,確保建筑內(nèi)部設(shè)施不遭受損毀,適用于醫(yī)院這種地震發(fā)生后需要保持正常使用功能的建筑,且云南地區(qū)已有多棟建筑采用隔震技術(shù),經(jīng)歷過實際地震,效果良好。

2.2 隔震部位的比選

多塔樓結(jié)構(gòu)隔震層位置的選取[3-5]主要根據(jù)項目的具體需求及建筑功能使用來確定。隔震層位置選擇一般有層間隔震、地下室頂板隔震及基礎(chǔ)隔震三種。

(1)層間隔震是將隔震層設(shè)置于裙房頂板的隔震方式,為大底盤多塔層間隔震,見圖3。其優(yōu)點為不用設(shè)置水平隔離縫、具有更高的抗傾覆能力、施工方便等,但隔震層位置越高,能保護的結(jié)構(gòu)越少。裙房作為隔震層下部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的剛度和強度來滿足隔震結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性及層間位移角限值要求。本項目醫(yī)療綜合樓中庭為綠化花園,導(dǎo)致裙房中部大開洞,整體剛度較差且水平地震作用無法較好傳遞。且裙樓使用功能為重要的醫(yī)技功能,需要保護。

圖3 層間隔震示意圖

(2)基礎(chǔ)隔震是將隔震層設(shè)置于基礎(chǔ)部位的方式, 見圖4。車庫周邊由于存在水平隔離縫,需設(shè)置永久懸臂擋墻將周邊土體擋住,并且在基礎(chǔ)設(shè)置隔震層也會加深基坑開挖深度。且本項目地下室主要為車庫功能,且車庫面積較大,加大了隔震裝置的費用,經(jīng)濟性較差。

圖4 基礎(chǔ)隔震示意圖

(3)地下室頂板隔震是將隔震層設(shè)置于地下室頂板的方式,見圖5。形成了以隔震層頂板為大底板的多塔樓隔震結(jié)構(gòu),利用車庫頂板與塔樓正負零標(biāo)高處之間的高差設(shè)置隔震層,將上部結(jié)構(gòu)與車庫結(jié)構(gòu)隔離開。車庫結(jié)構(gòu)本身具有較高的整體剛度,也不需要設(shè)置較厚且較高的懸臂擋墻,在經(jīng)濟效益上更優(yōu)。

圖5 地下室頂板隔震示意圖

通過比選,本項目采用安全可靠且經(jīng)濟合理的地下室頂板隔震方案。隔震層頂板整體連接,有效解決了傳統(tǒng)多塔樓各自隔震后上部各塔樓縫寬過大帶來的建筑難題,防震縫寬度可按傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的規(guī)定取值。

2.3 結(jié)構(gòu)主要布置

(1)主體結(jié)構(gòu)布置:本工程綜合樓隔震層設(shè)置于車庫頂板。隔震層以上裙樓層數(shù)為3～4層,角部為三棟高層塔樓,各塔樓高度不等,位置居邊,隔震層頂板不設(shè)結(jié)構(gòu)縫,裙樓與塔樓在隔震層頂板以上設(shè)縫分開。隔震層以下結(jié)構(gòu)為兩層地下室,結(jié)構(gòu)布置情況見表1,塔樓標(biāo)準(zhǔn)層布置見圖6。

表1 主體結(jié)構(gòu)布置情況

圖6 A塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

(2)隔震層上、下支墩結(jié)構(gòu)均為型鋼混凝土支墩柱,同一柱子下支墩與上支墩截面相同,支墩柱截面為1 300×1 300、1 200×2 350,支墩柱混凝土強度等級為C60,梁板混凝土強度等級為C40,樓蓋體系選用鋼筋混凝土大板+主梁體系,典型梁采用型鋼混凝土組合梁,截面為1 000×1 200,板厚為300～400mm。

(3)隔震支座布置:醫(yī)療綜合樓采用普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座,支座布置及選取原則為:隔震層剛度中心與上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心基本一致;隔震層具有適當(dāng)?shù)乃絼偠?在風(fēng)荷載作用下,隔震層具有足夠的初始剛度及良好的自動復(fù)位功能;隔震支座具有足夠的豎向承載力和水平變形能力,在發(fā)生罕遇地震時,可安全穩(wěn)定地支撐建筑物。

根據(jù)以上原則醫(yī)療綜合樓共使用325個支座,其中鉛芯橡膠支座LRB800-Ⅱ～LRB1400-Ⅱ布置在周邊,共195個;普通橡膠支座LNR800-Ⅱ～ LNR1100-Ⅱ布置在中部,共130個。隔震層支座布置見圖7。

圖7 隔震層支座布置圖

3 隔震結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《建筑隔震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51408—2021)(簡稱隔標(biāo))[6]第1.0.3條要求:隔震建筑的基本設(shè)防目標(biāo)是當(dāng)遭遇設(shè)防地震作用時,主體結(jié)構(gòu)基本不受損壞或不需修理即可繼續(xù)使用。當(dāng)遭遇罕遇地震作用時,結(jié)構(gòu)可能發(fā)生損壞,經(jīng)修復(fù)后可繼續(xù)使用。各構(gòu)件抗震性能目標(biāo)見表2～4。

表2 關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

表3 A～C塔隔震層以上構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

表4 裙房隔震層以上構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

3.2 中震分析

采用PKPM-隔震模塊進行整體計算分析并采用ETABS軟件對周期、底部剪力等進行對比復(fù)核。其中,PKPM軟件采用振型分解反應(yīng)譜法計算,ETABS軟件采用時程分析法計算[7]。采用隔震技術(shù)后,結(jié)構(gòu)周期明顯延長,兩軟件隔震前、隔震后模型的主要周期都非常接近。隔震前后結(jié)構(gòu)周期如表5所示。

表5 隔震前后結(jié)構(gòu)周期/ s

由于塔樓數(shù)較多,以最高塔樓A塔進行對比描述,隔震前后樓層剪力見圖8。

圖8 A塔隔震前與隔震后樓層剪力

由圖8對比結(jié)果可知:時程分析法的樓層剪力平均值均小于反應(yīng)譜法的樓層剪力,故相關(guān)部位構(gòu)件的內(nèi)力和配筋不作相應(yīng)的調(diào)整。隔震層以上結(jié)構(gòu)隔震前后底部剪力比值均小于0.5,根據(jù)隔標(biāo)第6.1.3條第2款,上部結(jié)構(gòu)可按設(shè)防烈度降低1度確定抗震措施,本項目為重點設(shè)防類建筑,因此,與水平地震相關(guān)的抗震措施按8度考慮。按規(guī)定,與豎向地震相關(guān)的抗震措施按提高一度即9度考慮。

3.3 大震分析

本工程使用ETABS軟件進行彈塑性分析計算,ETABS軟件中連接單元[8]能夠準(zhǔn)確模擬橡膠隔震支座。選取5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程。

根據(jù)地震動時程下的結(jié)構(gòu)出鉸狀態(tài)和損傷結(jié)果得出隔震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下整體基本完好[9-10];整體結(jié)構(gòu)在部分波作用下,僅有少部分框架梁進入了塑性狀態(tài),在大震作用下,結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能。

在罕遇地震作用下,隔震支座應(yīng)進行以下兩項驗算:

(1)支座應(yīng)力:支座拉應(yīng)力驗算采用1.0恒載-1.0水平地震-0.5豎向地震的荷載組合; 支座壓應(yīng)力驗算采用1.0恒載+0.5活載+1.0水平地震+0.4豎向地震的荷載組合。

分別計算罕遇地震作用下支座的拉、壓應(yīng)力,得到支座最大拉應(yīng)力為0.90MPa<1.0MPa, 支座承受的最大壓應(yīng)力為20.75MPa<25.0MPa,均滿足規(guī)范要求。

(2)支座位移:考慮升降溫15°的影響,隔震層罕遇地震下最大水平位移為320mm,邊支座位移為該位移的1.15倍,即為368mm,小于0.55D=440mm及3Tr=441mm(D為最小支座直徑,本工程采用的最小支座直徑為800mm,Tr為最小支座的橡膠層總厚度147mm)中的較小值,滿足要求。

4 隔震層設(shè)計與分析

為保證大底板多塔樓隔震層能夠整體協(xié)調(diào)工作,隔震層頂部應(yīng)設(shè)置平面內(nèi)剛度及強度足夠大的梁板體系。隔震層平面圖見圖9。

圖9 隔震層平面圖

本工程隔震層樓板板厚 300mm,A 塔、B 塔與裙房交界處相鄰一跨樓板及 A 塔與 B 塔交界處筒體范圍內(nèi)加強板厚至 400mm,樓板混凝土強度等級為 C40,為緩解角部應(yīng)力集中,采取局部加腋處理。

A、B、C 塔與裙房在結(jié)構(gòu)高度及兩個主軸方向上的動力特性相差較大,為保證大底板的可靠性,在高層塔樓及裙房交界處采取合成一個大支墩的處理方式,并且連接支墩的框架梁采用 1 200mm×800mm 的寬扁梁以加強在隔震層頂板位置兩塔樓之間的抗剪能力。

對隔震層樓板進行了設(shè)防地震及罕遇地震作用下的樓板應(yīng)力計算,按照設(shè)防地震作用下樓板保持彈性,罕遇地震用下鋼筋不屈服的性能目標(biāo)進行了樓板應(yīng)力及配筋的控制,保證了隔震層樓板在設(shè)防地震及罕遇地震作用下良好的工作性能。

5 結(jié)論

(1)隔震層位置的選取應(yīng)根據(jù)工程的特點從結(jié)構(gòu)合理性及經(jīng)濟性等角度進行綜合分析判斷,以達到隔震效果及造價均合理的目標(biāo)。

(2)大底板多塔樓隔震項目,大底板的設(shè)計尤為重要,需加強構(gòu)造與分析,保證大底板的良好工作性能。

(3)大底板多塔樓隔震結(jié)構(gòu)可有效解決傳統(tǒng)多塔樓隔震后隔震縫過寬帶來的建筑處理難題。

致謝:本項目在設(shè)計過程中,隔震專項分析得到了震安科技股份有限公司的大力支持,在此表示感謝!