某大底板多塔隔震结构设计

2023-10-16于森林顾振华韦劲宏

建筑结构 2023年18期

于森林, 顾振华, 韦劲宏, 陈仪, 杨阳, 马静, 张然

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

昆明市第二人民医院新院位于云南省昆明市盘龙区龙泉街道办事处上坝社区北京路延长线以东,华润中央公园小区以北,东侧为昆明绕城高速。项目总用地面积为38 611.18m2,总建筑面积为155 575.2m2,其中地上共17层,总高75.6m,建筑功能为医疗综合楼,建筑面积为99 559.05 m2;地下共2层,总高12m,建筑功能为车库,建筑面积为53 781.78 m2。整体效果图如图1所示。

医疗综合楼地上部分通过防震缝划分为5个结构单元,分缝平面图见图2。塔楼部分采用框架-剪力墙体系,塔楼底部2～4层采用了钢板剪力墙,裙楼部分采用框架结构体系,整体采用了隔震技术,隔震部位为地下室顶板。塔楼最大结构高度为75.6m,裙房1结构高度为24.25m,为高层建筑。裙房2结构高度为19.5m,为多层建筑。地下2层,埋深约12m,嵌固部位为地下室顶板。

图2 医疗综合楼地上结构分缝平面图

本工程地处8度区[1-2],为三甲医院的门诊、医技、住院用房,抗震设防类别为重点设防类。拟建场地为中软土,建筑场地为Ⅱ类,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.2g,场地特征周期为0.52s。

2 结构整体设计

2.1 隔震技术的运用

根据《建设工程抗震管理条例》第十六条,位于高烈度地区的医院,应采用隔震、减震技术,保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。同时,《云南省隔震减震建筑工程促进规定》第三条规定,医院建筑应采用隔震、减震技术。本项目最终采用了隔震技术,主要基于以下两方面的考虑。

(1)安全性:隔震是在建筑物底部或某个部位设置隔震支座,人为地使结构的上、下部分相对隔离,减少地震能量向建筑的传递,维持上部结构功能,保障生命安全。

(2)适用性:利用隔震层产生的大位移和阻尼达到耗散地震能量目的,从而减小上部结构的变形和内力,确保建筑内部设施不遭受损毁,适用于医院这种地震发生后需要保持正常使用功能的建筑,且云南地区已有多栋建筑采用隔震技术,经历过实际地震,效果良好。

2.2 隔震部位的比选

多塔楼结构隔震层位置的选取[3-5]主要根据项目的具体需求及建筑功能使用来确定。隔震层位置选择一般有层间隔震、地下室顶板隔震及基础隔震三种。

(1)层间隔震是将隔震层设置于裙房顶板的隔震方式,为大底盘多塔层间隔震,见图3。其优点为不用设置水平隔离缝、具有更高的抗倾覆能力、施工方便等,但隔震层位置越高,能保护的结构越少。裙房作为隔震层下部结构应具有较高的刚度和强度来满足隔震结构体系的稳定性及层间位移角限值要求。本项目医疗综合楼中庭为绿化花园,导致裙房中部大开洞,整体刚度较差且水平地震作用无法较好传递。且裙楼使用功能为重要的医技功能,需要保护。

图3 层间隔震示意图

(2)基础隔震是将隔震层设置于基础部位的方式, 见图4。车库周边由于存在水平隔离缝,需设置永久悬臂挡墙将周边土体挡住,并且在基础设置隔震层也会加深基坑开挖深度。且本项目地下室主要为车库功能,且车库面积较大,加大了隔震装置的费用,经济性较差。

图4 基础隔震示意图

(3)地下室顶板隔震是将隔震层设置于地下室顶板的方式,见图5。形成了以隔震层顶板为大底板的多塔楼隔震结构,利用车库顶板与塔楼正负零标高处之间的高差设置隔震层,将上部结构与车库结构隔离开。车库结构本身具有较高的整体刚度,也不需要设置较厚且较高的悬臂挡墙,在经济效益上更优。

图5 地下室顶板隔震示意图

通过比选,本项目采用安全可靠且经济合理的地下室顶板隔震方案。隔震层顶板整体连接,有效解决了传统多塔楼各自隔震后上部各塔楼缝宽过大带来的建筑难题,防震缝宽度可按传统抗震结构的规定取值。

2.3 结构主要布置

(1)主体结构布置:本工程综合楼隔震层设置于车库顶板。隔震层以上裙楼层数为3～4层,角部为三栋高层塔楼,各塔楼高度不等,位置居边,隔震层顶板不设结构缝,裙楼与塔楼在隔震层顶板以上设缝分开。隔震层以下结构为两层地下室,结构布置情况见表1,塔楼标准层布置见图6。

表1 主体结构布置情况

图6 A塔楼标准层结构布置图

(2)隔震层上、下支墩结构均为型钢混凝土支墩柱,同一柱子下支墩与上支墩截面相同,支墩柱截面为1 300×1 300、1 200×2 350,支墩柱混凝土强度等级为C60,梁板混凝土强度等级为C40,楼盖体系选用钢筋混凝土大板+主梁体系,典型梁采用型钢混凝土组合梁,截面为1 000×1 200,板厚为300～400mm。

(3)隔震支座布置:医疗综合楼采用普通橡胶支座和铅芯橡胶支座,支座布置及选取原则为:隔震层刚度中心与上部结构质心基本一致;隔震层具有适当的水平刚度,在风荷载作用下,隔震层具有足够的初始刚度及良好的自动复位功能;隔震支座具有足够的竖向承载力和水平变形能力,在发生罕遇地震时,可安全稳定地支撑建筑物。

根据以上原则医疗综合楼共使用325个支座,其中铅芯橡胶支座LRB800-Ⅱ～LRB1400-Ⅱ布置在周边,共195个;普通橡胶支座LNR800-Ⅱ～ LNR1100-Ⅱ布置在中部,共130个。隔震层支座布置见图7。

图7 隔震层支座布置图

3 隔震结构分析

3.1 结构抗震性能目标

根据《建筑隔震设计标准》(GB/T 51408—2021)(简称隔标)[6]第1.0.3条要求:隔震建筑的基本设防目标是当遭遇设防地震作用时,主体结构基本不受损坏或不需修理即可继续使用。当遭遇罕遇地震作用时,结构可能发生损坏,经修复后可继续使用。各构件抗震性能目标见表2～4。

表2 关键构件抗震性能目标

表3 A～C塔隔震层以上构件抗震性能目标

表4 裙房隔震层以上构件抗震性能目标

3.2 中震分析

采用PKPM-隔震模块进行整体计算分析并采用ETABS软件对周期、底部剪力等进行对比复核。其中,PKPM软件采用振型分解反应谱法计算,ETABS软件采用时程分析法计算[7]。采用隔震技术后,结构周期明显延长,两软件隔震前、隔震后模型的主要周期都非常接近。隔震前后结构周期如表5所示。

表5 隔震前后结构周期/ s

由于塔楼数较多,以最高塔楼A塔进行对比描述,隔震前后楼层剪力见图8。

图8 A塔隔震前与隔震后楼层剪力

由图8对比结果可知:时程分析法的楼层剪力平均值均小于反应谱法的楼层剪力,故相关部位构件的内力和配筋不作相应的调整。隔震层以上结构隔震前后底部剪力比值均小于0.5,根据隔标第6.1.3条第2款,上部结构可按设防烈度降低1度确定抗震措施,本项目为重点设防类建筑,因此,与水平地震相关的抗震措施按8度考虑。按规定,与竖向地震相关的抗震措施按提高一度即9度考虑。