2015建筑资质就位

ManBetX体育医疗建筑“大震不倒”还省下数百万材

  原标题:医疗建筑“大震不倒”,还省下数百万材料费用,靠的就是这项技术,案例为证!

  中国占世界7%的土地面积,却占全球33%的大陆强震。20世纪以来,我国6级及以上地震发生次数达近800次。地震发生地遍布除贵州、江浙两省和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市。据统计,1900年以来,中国死于地震的人数达 55万之多,占全球地震死亡人数的53% 。

  医疗建筑服务于病患特殊群体,是生命线工程。在地震中不仅要保证其“大震不倒”,还要保证医院医疗功能的不间断。医疗建筑由于其建筑功能和体形的特殊性,极易造成结构平面和立面的不规则等超限。因此,医疗建筑对抗震的要求更高。

  本篇主要介绍消能减隔震技术,并用案例的形式展示该技术对医院建筑带来的直接和间接效益。

  2008年修订的《建筑抗震设防分类标准》(GB50223-2008)为我国现行的抗震设防分类标准,该规范初步调查总结了汶川大地震的经验教训,提高了医院等人员密集的公共服务设施类建筑的抗震设防标准。

  《建筑工程抗震设防分类标准》将建筑工程分为四个抗震设防类别,分别为特殊设防类(甲类)、重点设防类(乙类)、标准设防类(丙类)及适度设防类(丁类)。

  该标准第4.0.3条规定“二、三级医院的门诊、医技、住院用房,具有外科手术室或急诊科的乡镇卫生院的医疗用房,县级及以上急救中心的指挥、通信、运输系统的重要建筑,县级及以上的独立采供血机构的建筑,抗震设防类别应划为重点设防类”。

  按照《建筑工程抗震设防分类标准》3.0.2条,“重点设防类(乙类),应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施……”。

  确定为乙类建筑的医疗建筑,一些计算参数与丙类建筑的选取有所区别:抗震等级应提高一度按《建筑抗震设计规范》表6.1.2执行,各种调整系数相应依此取值。

  抗震等级的提高带来构造措施的提高,即带来构件配筋率的提高。通过消能减隔震技术,局部调整或整体优化结构构件断面可直接大幅降低结构的含钢量,带来良好的经济效益,同时提高结构的抗震性能。

  2015年,我国发布新版地震动区划图,大量地区抗震设防烈度提高,带来结构设计中地震力增大,一味采用增大构件截面尺寸的传统“硬抗”的抗震方法已经不能很好的适应当前的结构设计,且带来了一些问题,如结构设计的不经济、建筑有效利用面积和空间的浪费,甚至在一些高烈度地区,传统结构设计根本无法完成。

  随着新材料的开发和应用,以及振动控制理论的发展,建筑的消能减隔震技术在我国得到高速发展。

  2008年汶川地震以后,国家住房城乡建设部提出了关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见。

  意见中提出:位于抗震设防烈度8度(含8度)以上地震高烈度地区、地震重点监视防御区或地震灾后重建阶段的新建3层(含3层)以上学校、幼儿园、医院人员密集公共建筑,应优先采用减隔震技术进行设计。

  随后,有超过10个省市地方相继发布建筑减隔震技术推广细则,ManBetX体育。大大推动了建筑减隔震技术在我国建筑中的应用与发展。据统计,截止到“十二五”,我国各类减隔震建筑数量达6000余幢,约占世界的一半,其中仅云南省减隔震建筑数量就达2100幢,居全国之首。

  建筑结构在地震作用下的响应问题从动力学的角度来看就是一个多自由度结构体系的受迫振动问题,其动力学方程为:

  上式右端为外部荷载,这里我们可以理解为地震输入激励,式中左端三项依次分别是结构惯性力、阻尼力和抗侧力,分别和结构质量、阻尼和抗侧刚度相关。要想减小结构在地震激励下的动力响应有三个途径。

  优化结构构件断面,减少材料用量,从而减小结构地震作用下的惯性力,这同时可减少工程造价。

  增加结构阻尼。结构阻尼通常分为固有阻尼和附加阻尼两部分,而通过附设阻尼器即可提高结构的附加阻尼,从而耗散地震能量,减小结构位移响应。

  提高结构的抗侧刚度,但这同时会带来地震力的增大,这就需要我们在设计中去平衡抗侧刚度增加带来的位移减小和地震力增大带来的位移增大。

  从能量的角度来讲,减震就是通过在结构中附设减震装置来吸收耗散地震能量的过程,减震结构一般布置(图1)。

  根据能量守恒原理,在地震输入结构能量相同的情况下,结构附加耗能系统耗散的能量增加,那么输入到结构主体中的能量就会减少,从而减小结构的变形和损伤。

  而隔震的基本原理,从能量的角度可以理解为:主要是通过在结构基础(或层间)设置隔震设备,隔断地震能量从基础向上部结构传递的路径,同时增加一部分阻尼耗散一部分能量,从而减小或抑制结构的地震加速度响应。隔震可用图2描述。

  质量调谐阻尼器(TMD)和液体调谐阻尼器(TLD),主要用于高层建筑的抗风和解决人行天桥或楼面舒适度问题,例如台北101大厦和上海中心都是应用此类技术,TMD的力学模型如图3所示。

  隔震产品种类较少,主要为橡胶类产品,包括天然橡胶支座(LRB)、铅芯橡胶支座(LNB)及高阻尼橡胶支座(HRB)。ManBetX体育

  笔者结合都江堰力宝医院项目减震方案的比选说明屈曲约束支撑(BRB)减震设计的基本特点。

  该项目位于都江堰市,设防烈度8度0.2g,设计地震分组二组,场地类别Ⅱ类,特征周期0.4s,结构总高度41.9m,地下1层,地上9层。原设计方案为框剪结构,其YJK结构整体模型如图4所示。现拟对结构进行优化设计。

  由于本工程位于8度0.2g抗震设防区,按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)6.1.1条,如果采用混凝土框架结构最大适用高度为40m,结构高度超限。

  本方案取消原方案中的剪力墙,在部分位置设置屈曲约束支撑(BRB),按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)附录G,结构体系可定义为为钢支撑框架体系,钢支撑框架结构体系最大适用高度为70m,本工程结构高度即不超限。同时对原主体结构梁柱断面做了一定程度的优化。

  屈曲约束支撑(BRB)布置在地上1-9层,平面布置如图5所示。屈曲约束支撑设计参数如表2所示,YJK计算得到的结构总体指标如表3所示,优化前后的工程量对比如表4、表5所示。

  抗规附录G.1.3第5条要求:底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩应大于结构的总倾覆力矩的50%。查看YJK反应谱计算结果文件“wv02q.out”文件,在规定水平力作用下,钢筋混凝土+BRB框架方案中结构底层X向和Y向倾覆力矩均占结构总倾覆力矩的50%以上,满足规定。

  经过计算可以看出,本工程引入屈曲约束支撑体系后,结构的各项性能指标均满足现行规范的要求。

  同时,在中震和罕遇地震作用下,屈曲约束支撑可以耗散地震能量,起到结构消能器的作用,保护结构主要构件在中震和大震下不破坏,达到抗震设防的“大震不倒”的性能目标。采用屈曲约束支撑方案较原框剪方案可节约材料费用达204万。

  宿迁市妇产医院及儿童医院地上12层,其中1~4层设置裙房。1层层高4.5m,2层层高4.2m ,3~4高4.5m,设备层层高2.1m,5层层高4.8 m,6~12层层高3.6m,主体建筑总高度为49.8m。结构主体采用增设粘滞流体阻尼器的框架-剪力墙结构。通过变形缝分A、B、C三部分,如图6所示,A、B区采用减震,C区采用传统抗震。

  本工程设计使用年限50年,抗震设防烈度8度(0.3g),设计地震分组一组,Ⅲ类场地,场地特征周期0.4s,框架与剪力墙抗震等级均为一级。

  A区设置64套粘滞阻尼器,B区设置69套粘滞阻尼器,阻尼器最大阻尼力为750KN,阻尼指数均为0.2,其他阻尼器参数如表6所示。

  以A区为例,如果完全采用传统抗震方法设计,典型的框架柱断面尺寸将达到1200×1200,采用粘滞流体阻尼器进行消能减震设计后,典型的框架柱断面尺寸可降至800×800。因截面优化带来的工程量的减少如表7所示。

  通过初步估算,节省造价772万元,同时上部结构自重的减轻带来基础造价节省70万元,共节省造价842万元。

  增加阻尼器本工程采用的阻尼器装置约为64套,每套阻尼器装置的费用(包括连接构件及相关附件等价格)为4万元,共需花费256万元。故采用该粘滞阻尼器减震设计方案,经济上可带来优越性性,约节省工程造价590万元。

  减隔震产品的应用给医疗建筑设计带来更为丰富的选择,使医疗建筑在结构上的诉求更容易实现,但同时也存在一些问题,主要体现为:

  减隔震产品的质量监管的不到位造成市场产品鱼龙混杂,不合格产品的采用会给结构安全带来隐患。因此,在采购减隔震产品时应该优先选择市场口碑好、产品质量过硬的厂家。

  减震产品设计的问题。在产品设计的时候不宜采用过大的承载力的减震产品,在建筑上应用的粘滞阻尼器最大出力不宜超过100吨,屈曲约束支撑最大屈服承载力不宜超过400吨。过大的设计承载力会使连接成为薄弱环节,连接的失效直接造成减震产品无法发挥其减震作用,所以产品的设计应该更加小型化。

  目前大量采用的橡胶隔震产品中存在橡胶老化的问题,粘滞阻尼器存在密封的问题,这需要我们对材料性能做进一步研究和改进。