医院建筑抗震特性分析及结构设计

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1、医院建筑抗震特性分析及结构设计吴筑海，邵兵华东建筑设计研究院，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、结构不规那么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Seismic characters an alysis and structure desig n of hospitalstructureWu Zhuhai, Shao BingEast China Archi

2、tectural Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200002 , ChinaAbstract: 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 change an

3、d 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 引言近几年来，医院建筑由于其

4、对保障生命线 的重要意义，越来越为汶川地震之后，针对医疗建筑提岀了更为严格的抗震要求。2021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，而承当特别重要医疗任务的三级医院那 么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 备夹层一般层上下且刚度大，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 异较大，形成大底盘小塔楼的不规那么结构； 根据以往震灾的经验，在各类震害中楼

5、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， 保证生命平安的作用，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

6、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 板与墙柱间留岀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，到达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；对于相邻下部楼层那么加大构件 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

7、足标 准的相关要求，防止薄弱层的岀现。一般上述方案均可有效解决刚度突变的问题，但也存在着以下缺乏：表1设备技术夹层刚度突变改善方案比照上海黄浦医疗中心深圳市妇儿医院同建筑高度16层,16层，68m设防烈度7楼层高度14层，设备夹层，标准层12层，3层，45层，设备夹层，6层， 标准层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，牛下部底盘局部设置结构缝，就形成了？建筑抗腿影响美观，施工困

8、难，易岀现漏水等问题, 震设计标准？（2021年版）4中规定的不规那么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，使其不承当负弯矩， 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

9、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，设备层设铰后五、六层的刚度比 仅0.68，薄弱层上移，将第六层层高提至后 才满足标准要求。2使用功能引起的不规那么结构医院在设计中，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，

10、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？建筑抗震设计标准？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。2.1不规那么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 底盘高为主楼总高的27.72 %，塔楼收进尺寸为下层

11、投影宽度的35.42 % ,塔楼与大底盘的质心偏心距与大底盘相应边长的比值为 14.7%，竖向不规那么；武汉新华医院大底盘 高为主楼总高 27.6 %，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22.9%，塔楼偏置过大，也属竖向不规那么。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，降低由于结构不规那么引起的地震作用突变。可以看出虽然两个工程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

12、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 ？标准？中防止刚度突变过大的要 求。由于塔楼偏置，塔楼与大底盘局部刚度中 心与质量中心偏差较大，结构容易产生整体扭 转效应。所以在裙房靠外侧局部布置了与裙房 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 1.48，武汉新华医院的最大层间位移为1.42，满足标准要求；同时建筑物的地震力与位移角(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2.2不规那么结构的性能设计医院在震灾中具有保障生命

13、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？标准？对建 筑抗震性能设防目标提岀了 “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，第二阶段那么进行弹塑 性变形计算；与国内不同，美国IBC标准将中 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。中美标准实现延性性能方法不同， 但都明确的提岀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

14、采用“粱柱铰机 构冏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，但梁铰岀现塑性铰的时机更多更早， 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PUSHOVE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PUSHOVE分析结果(a) 武汉新华医院中震作用塑性铰分布

15、(b) 武汉新华医院大震作用塑性铰分布图5武汉新华医院PUSHOVE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， 中震下根本不出 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， 但通过比照 计算发现， 相同的位移条件下， 前者吸收了更

16、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 尽量防止结构刚度过大； 最后，比拟 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， 标准对于 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， 尤其是当跨高比拟小 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

17、应与 连梁相同。3 楼梯间对抗震性能的影响5.12 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 ?建筑抗震设计标准 ? 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 大局部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

18、区，场地均为上海W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比照上海黄浦医疗中心(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T11.602-1.0%5-4.0%T241.462-0.8%22-1.9%T31.101-2%4-11%X向最大位移角1/8901/924-3.7%1/5971/619-3.6%X向最大位移比5-1.9%+2.8%丫向最大位移角1/8171/810+0

19、.9%1/6471/557+ 16.2%丫向最大位移比1.18-4.8%+24.3%比照发现，考虑楼梯间的作用， 框架结构力；在设计中应重视传递及消耗地震力的水平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 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，期减小了 20.5%，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，由于扭转等由于楼梯改变了地震力传递的方式且与框架

20、梁、柱形成了不同的结构体系，对医院结构抗不利效应的减弱，局部连梁内力减小了震能力造成的影响远大于框剪结构。10%20%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，比照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到达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

21、构 在地震作用下的平安。本文针对以上情况进行 分析与比拟，尝试提出了可行的方案，并论证参考文献1 GB20223-2021,建筑工程抗震设防分类标准S2 GB50333-2002医院洁净手术部建筑技术标准S3 吕永清，深圳市妇儿医院框架短柱处理措施讨论J，山西建筑,2003，29(12) : 21-224 GB50011-2001,建筑抗震设计标准 S5 刘薇，中美两国学校和医院房屋的抗震设计比照J，工程抗震与加固改造，2021，31(5):74-806 刘旭涛，马风雷，提高砼结构延性及设防烈度的根本抗震思想J，中国新技术新产品，2021，21： 181-1827 张望喜等，“”汶川地震灾区典型教学楼框架与楼梯共 同工作性能J，建筑科学与工程学报2021， 26(2):38-458 申跃奎，张涛，框架结构楼梯的震害分析与设计对策J，建筑结构，2021，11： 72-74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防止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