超高层医用建筑的抗震设计~

上海市第一人民医院，作为医院改建扩建项目，考虑到施工场地受限，附近人口密度大，超限高层、体积不规则的医疗建筑还得需要考虑新建和保留建筑的结合，结构设计上还要考虑大量抗震措施。

项目基地位于虹口区武进路86号地块，东起九龙路、北至哈尔滨路，西侧紧邻市级文保单位消防站，南侧与第一人民医院老院区仅一路之隔（武进路）。设计包含一幢整合了急诊中心、急救中心、手术中心、国际医疗保健中心及病房等功能的医疗综合大楼，同时将基地内的历史建筑原虹口中学保留并整合为一体。项目总用地面积约8320m²，总建筑面积47735m²，其中地上建筑面积34160m²，地下建筑面积13575m²；高层主楼15层，建筑高度61.6m，保留建筑4层，建筑高度16.4m。设计总床位数为300床，手术间25间，急诊中心设计日均就诊量1000人次。

一、上部结构设计

医院建筑结构设计

新建医疗综合楼（A楼）由于建筑造型和功能的特殊要求，有多项抗震不规则情况，且由于结构高度超过24m，为高层建筑。因此本项目属于超限高层，由上海抗震办组织专家进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查会，新建医疗综合楼超限和不规则情况如下。

（1）扭转不规则。本项目由于建筑功能和造型的要求，楼电梯间剪力墙偏一侧布置，并非对称布置，且东南处由于竖向构件布置不规则刚度差异较大，部分楼层在考虑偶然偏心地震作用下的扭转位移比大于1.2，且偏心率大于0.15。

（2）尺寸突变。新建医疗综合楼在六层标高处平面收进尺寸大于相邻下一层的25%，如图：

一层结构平面图

标准层结构平面图

新建医疗综合楼

（3）竖向构件不连续。新建医疗综合楼东南处7根框架柱竖向不连续，在三层楼面处形成转换，造成三层楼板布置与二层差异较大。

（4）其他不规则。东南处一至二层的穿层柱采用交叉斜柱形式（V字型），分别置于桁架斜杆的节点处与三层框架转换柱底，形成斜柱转换。如下图所示：

东南处交叉斜柱布置

新建医疗大楼A楼的穿越一层、二层的的V型柱实景图

针对以上超限情况，结构设计市采取了以下针对性措施：

（1）针对扭转不规则，结构设计时通过结构柱墙的合理布置各楼层的最大位移比大部分小于1.2，在偶然偏心下部分楼层大于1.2，且均小于1.4

（2）针对尺寸突变，在结构设计时采用了如下加强措施。

① 控制立面收进处上下层的抗剪承载力之比不小于 0.8。

② 对立面收进部位的楼板应力进行分析，控制中震下大部分楼板不开裂，应力较大的楼板虽开裂但楼板钢筋不屈服，即楼板钢筋应力小于钢筋强度标准值。

③ 加强立面收进部位的楼板厚度至 150mm，双层双向配筋，并控制楼板配筋率不小于0.25%。

④ 加强收进部位以上一层和以下二层周边竖向构件的配筋构造措施，箍筋全长加密，箍筋形式采取井字复合箍筋，箍筋直径不小于12mm。

（3）针对竖向不连续，在结构设计时，对该层楼板特别进行加强，板厚增加至用双层双向并适当加大配筋。设防目标为中震下大部分楼板不开裂（即板内主拉应力/a为混凝土轴心抗拉强度标准值），控制应力较大的楼板虽开裂但楼板钢筋不屈服（即楼筋应力小于钢筋强度标准值）。对穿层柱的计算长度系数进行复核，并采取措施提高穿层延性，如适当增大柱配筋、箍筋全长加密等，穿层柱抗震等级提高为特一级。

（4）交叉斜柱是本结构的关键构件，其性能目标为中震不屈服，正截面承载力满足SGB+S×Eμ+0.4S×E≤R，受剪承载力满足 SGE+0.4S×Elk+S×Evk≤R（SGE为重力荷载代表值的效应，S×E 为水平地震作用标准值的构件内力，S×E求为竖向地震作用标准值的构件内力，R为截面承载力标准值）。

此外，结构设计时还采取了以下有利于提高结构抗震性能的措施∶

（1）采用轻质结构材料，改善结构的抗震性能。采用砂加气混凝土砌块及轻钢龙骨石膏板等轻质墙体材料。

（2）提高抗震等级。本项目东南处一至二层大堂的穿层斜柱抗震等级提高为特一级。

（3）在施工图设计时，在各楼层标高处的混凝土剪力墙内设置暗梁，以增加剪力墙的整体性和抗侧刚度。

（4）在施工图设计时，按规范采取较为严格的构造措施，包括严格控制柱、墙轴压比、保证其配箍率，并保证楼板厚度和配筋率等。上部结构框架柱轴压比严格控制在 0.65 以下，并对个别接近轴压比限值的框架柱采用井字复核箍，全长加密箍筋；对轴压比较大的框架柱，适当增大框架柱的配筋率，并控制其最大配筋率在4%以下。剪力墙轴压比控制在 0.5以下，并控制剪力墙约束边缘构件的最小配筋率不小于1.2%，剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率不小于0.25%。

二 、阻尼器的设计

上部结构设计

随着我国经济快速发展，复杂结构、超高层结构的数量日以剧增，而我国在经历了四川汶川地震和青海玉树地震后，对于结构抗震性能非常重视，并且《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对于复杂结构或是重要建筑结构的抗震性能要求已开始进入性能化设计。

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阻尼器

消能减震技术可以提高结构的抗震性能，增加结构在地震作用下的安全性。在尽量减少对建筑使用上的影响前提下，为了满足结构抗震性能的要求，消能减震技术开始得到了重视而且也已开始在实际工程上大量应用。2013年4月20日四川芦山地震验证了隔震、消能减震技术的可行性。目前国内越来越多的医院建筑采用隔震、消能减震技术来增加结构的抗震性能，例如∶北京协和医院、四川芦山人民医院、四川德阳东汽医院、江苏宿迁人民医院和河南安阳人民医院等。

经多方面比较，本项目由于结构相对较柔，不适合采用隔震技术，比较适合采用消能减震技术中的软钢阻尼器来提升结构的抗震性能，并且适当降低新建建筑的土建成本，减少施工难度，增加建筑上的使用空间。

由于软钢阻尼器的发展已经很成熟，对于建筑使用上影响非常小（可以隐藏于建筑隔墙的位置）。

软钢阻尼器安装方式

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阻尼器设置的位置及组数

本项目在建筑六层（story9）布置4组软钢阻尼器，建筑七层（story10）布置3组软钢阻尼器，建筑八层（storyl1）～建筑十三层（story16）每层各布置4组软钢阻尼器，共计31组软钢阻尼器。平面位置和软钢阻尼器的编号如图所示。

建筑六层软钢阻尼器平面位置示意图

建筑七层平面位置和软钢阻尼器的平面位置示意图

图 建筑八层-建筑十三层软钢阻尼器的平面位置示意图

阻尼器均采用墙支撑方式与主结构相接合，如图 13-8所示。阻尼器布置平面位置中，左侧两组（编号为∶1、2、5、6、8、9、12、13、16、17、20、21、24、25、28、29）与阻尼器接合的混凝土墙厚200mm，墙长3000mm，混凝土强度等级为C30。右侧两组（编号为∶3、4、7、10、11、14、15、18、19、22、23、26、27、30、31）与阻尼器接合的混凝土墙厚250mm，墙长3000mm，混凝土强度等级为C30。

位移型软钢阻尼器采用墙支撑结合方式的立面示意图

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选用阻尼器的类型、性能特点

考虑到本项目的施工性及建筑空间的使用性，并考虑本建筑在罕遇地震下的安全性，阻尼器必须容易安装、对建筑空间影响最小和在罕遇地震作用下依然不破坏而且能够发挥阻尼器的耗能特性。基于上述的因素，本项目设置的阻尼器应选用位移型软钢阻尼器。其耗能特性应类似下图的滞回曲线。

位移型软钢阻尼器的滞回曲线

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风荷载作用下阻尼器不屈服分析

本项目所采用的阻尼器为软钢阻尼器，需保证软钢阻尼器在风荷载下不发生屈服，避免阻尼器在风荷载下发生疲劳破坏。软钢阻尼器的力学参数为∶弹性刚度 K=4.22×105kN/m 屈服力=316.62kN。本项目的软钢阻尼器在风荷载下的阻尼力(213.05kN)未达到阻尼器的屈服力（316.62KN），表示阻尼器未发生屈服。

三、关键节点有限元分析

关键节点

新建的医疗综合楼A楼三层的V支撑为结构传力体系的关键节点，抗震性能目标为中震弹性。此关键节点受力复杂，采用有限元软件ABAQUS进行建模分析。