某医疗建筑隔震加固设计与分析

闫 兵

（重庆市设计院，重庆 400000）

0 引言

近十余年，我国接连发生了较大规模的地震破坏，如 2008 年汶川 8.0 级地震、2010 年青海玉树 7.1 级地震、2013 年四川芦山 7.0 级地震和甘肃定西 6.6 级地震，这几次大地震均造成大量房屋倒塌，人员伤亡惨重和巨大的财产损失。其中，芦山地震中的芦山县人民医院隔震门诊楼经受了强震考验，发挥了非常重要的应急救护作用，引起了社会的广泛关注。

由于医疗建筑做为重要的生命线工程，在地震发生后，需要承担起应急医疗救护任务，因此，建筑内部的家具、大型医疗设备、康复设备、设施等必须保证完好，才能保证医疗建筑在震后功能不中断或快速恢复，并及时发挥作用。

既有医疗建筑大多建造年份久远，建筑的抗震性能无法满足现行规范的要求，在进行抗震加固时，需要整栋楼停业，甚至整个医院的医疗功能将停用。在此情况下，采用隔震技术既能够保证建筑的抗震性能提升，也能够保证医院的医疗功能不中断。

此外，2019 年 10 月 8 日由司法部发布的《建设工程抗震管理条例》［1］（征求意见稿）中的第二十二条，规定“位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的学校、幼儿园、医院、养老机构、应急指挥中心、应急避难场所等既有公共建筑进行抗震加固时，应当采用隔震减震技术”。这将加速隔震技术在医疗建筑上的应用。

1 工程概况

某医院住院楼建于 1988 年，框剪结构，地上 8 层，局部 10 层（出屋面）。无地下室，上部结构 1～8 层层高3.6 m、9 层层高 4.5 m、10 层层高 3.6 m，上部结构剪力墙厚 200 mm。本建筑高宽比为 3，上部结构模型如图 1 所示。该工程所在地的抗震设防烈度为 8 度，基本地震加速度为 0.2 g，地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为乙类，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。

图1 某医疗建筑上部结构模型

依据现行《建筑抗震鉴定标准》［2］和《建筑抗震设计规范》［3］（简称《抗规》），使用 YJK 软件对原结构进行了抗震计算分析，结果表明，8 度多遇地震作用下，该建筑 80 % 的梁和柱配筋不符合要求，柱截面配筋最大不足 50 %，梁截面配筋最大不足 75 %。必须采取加固措施。7 度多遇地震作用下满足要求。如采用传统抗震技术进行加固，需要将该住院楼清空，并采取加大截面方式进行加固，严重影响该建筑的日常使用。本文将对采用隔震技术加固设计的建筑抗震性能提升效果进行分析。

2 隔震设计

2.1 隔震设计方案

该工程采用基础隔震加固设计方案，共使用 59 个隔震支座，包括 38 个铅芯橡胶隔震支座和 21 个天然橡胶隔震支座，隔震支座参数如表 1 所示，平面布置如图 2 所示。经计算，隔震支座的长期面压为 11.73 MPa，满足《抗规》乙类建筑不超过 12 MPa 的要求。

表1 隔震支座参数

2.2 结构动力特性

采用 ETABS 软件对上部结构分别按照非隔震、隔震进行时程分析。采用非线性时程快速积分法（ FNA），隔震支座采用 Rubber Isolator 单元和 Gap 单元组合，实现隔震支座拉压不等刚度的输入［4］。非隔震结构与隔震结构的前3阶周期如表 2 所示，可以看出，隔震结构的周期显著增大，一阶振型的结构周期从 0.678 s 延长至 3.731 s。

图2 隔震层支座布置

表2 非隔震结构和隔震结构的前 3 阶周期 s

2.3 地震动选取

采用时程分析法时，《抗规》要求：每条时程曲线计算的结构基底剪力大于反应谱分析结果的 65 %，且不超过 135 %；多条时程计算的结构基底剪力平均值大于反应谱法计算结果的 80 %，且不超过 120 %。

图3 三条地震波与规范反应谱对比

本工程选取 2 条天然波（TR 1 波和 TR 2 波）和 1 条人工波（RGB），其相应的加速度反应谱与规范谱对比如图 3 所示。其中，天然波选自美国太平洋地震研究中心（PEER）数据库，人工波采用 SIMQKE_GR 软件生成［5-6］。在一阶周期点（0.678 s，3.731 s）各条时程曲线的加速度反应谱值与《抗规》反应谱值最大相对误差不超过 35 %，平均误差不超过 20 %。采用上述 3 条地震波对非隔震结构进行多遇地震下的时程分析，其最大基底剪力与反应谱分析的基底剪力对比（见表3），均符合要求。

表3 多遇地震作用下结构基底剪力

2.4 隔震效果分析

2.4.1 减震系数计算

在中震作用下，对隔震结构和非隔震结构的层剪力进行计算分析，如表 4 和图 4 所示。可以看出，隔震结构的X向和Y向地震剪力最大值分别为非隔震结构的0.3 7 倍和 0.2 4 倍，本结构的减震系数可以取 0.37（＜0.40），满足《抗规》要求，即：上部结构水平地震作用和抗震构造措施均可以降低一度进行加固设计。因此，本结构可仅进行隔震层的设计和施工。

2.4.2 罕遇地震下的结构响应分析

罕遇地震作用下，隔震层的隔震支座最大位移为 376 mm，小于最小直径隔震支座的 0.55 倍（800×0.55=440 mm）和 3 倍支座厚度（157×3=471 mm）的较小值，满足水平变形要求。罕遇地震作用下，隔震支座的极大面压为 23.77 MPa，未超过 30 MPa 限值，极小面压为 1.72 MPa，支座未产生拉应力，满足《抗规》要求。

表4 非隔震和隔震结构中震下各层剪力比较 104 kN

图4 隔震前后结构在中震作用下层剪力比较

此外，罕遇地震作用下，隔震结构的各层层间位移角大幅减小（见图 5），最大层间侧移角为 1/792，上部结构基本处于弹性状态（《抗规》规定为 1/800），结构的抗震性能得到显著提高。

图5 罕遇地震作用下，隔震前后结构层间位移角比较

3 结论

1）采用隔震加固技术后，地震作用大幅度降低，中震下基底剪力降低约 60 %；

2）罕遇地震下，隔震结构的各层最大层间位移角为加固前结构的 15 %～37 %（主体部分），且上部结构基本处于弹性状态，能够有效保护医疗设备和人员的安全，使医院的医疗救治能力得到保障，并充分发挥医疗机构的应急救灾作用。

3）较传统抗震技术，施工周期短，仅对一层的部分功能有影响，对建筑整体的使用功能、外观、内部装饰等影响较小。对于不能停业改造的医疗建筑而言，采用隔震加固技术方案具有较好的经济性。