目前，各地均加大了医院建筑的建设力度。不同于常规的公共建筑，医院建筑有其鲜明的特点。对于结构设计来说，医院建筑由于设备层的存在而引起抗震薄弱层是结构设计中普遍存在的一个难点。本文将就医院建筑该方面的抗震特点及其结构设计对策做阐述分析。

　　一、医院建筑的抗震特点

　　随着我国高层建筑竖向布置日益复杂,极易造成侧向刚度突变、竖向构件不连续等。引起高层建筑侧向刚度突变的主要因素包括: 局部楼层层高变化;竖向构件不连续,如转换层结构、悬挑结构等;立面台阶收进,如大底盘结构;设置加强层。

　　一个常规的医院建筑均存在设备层。为避免设备层计算建筑面积，其层高经常控制在2.6m左右。以一个典型的医院住院楼为例，其楼层层高分布为：一层至三层为医生办公及手术等，层高一般在4.5m左右;四层为设备层，层高为2.6m;上部五层至十二层为病房，层高一般为3.6m。

　　由于设备层仅为下部楼层层高的57%，将引起整个结构竖向刚度突变。根据《建筑抗震设计规范》:该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%即可认为该建筑为竖向侧向刚度不规则。

　　计算分析和地震震害均表明,侧向刚度突变的结构容易形成抗震薄弱部位,引起内力和位移突变,造成局部破坏甚至倒塌等严重后果。建筑结构楼层侧向刚度突变通常导致结构侧向位移发生突变,同时，楼层侧向刚度不均匀导致地震反应增大,局部变形集中。这时一般可以采用一些构造措施,控制结构楼层侧向刚度变化与上述均匀结构的相应参数接近,使结构侧向刚度趋于均匀。当结构某一层刚度沿高度突变(变小)时,为了使刚度趋于均匀,将刚度突变的楼层及其以下楼层的竖向构件截面加大,使结构侧移曲线(或楼层侧移刚度比)与上述均匀。

　　二、结构设计对策

　　(一) 防止刚度突变

　　作为最直接的防止刚度突变的办法，是将设备层层高加高，同时将下部楼层层高降低。但是出于建筑面积考虑，设备层一般没有调整余地。而下部楼层为考虑其功能的合理，层高的减小幅度也有限，也就是说，对于这类医院建筑，层高的突变是难以避免的。

　　(二) 控制侧向刚度

　　很多学者对高层建筑结构的侧向刚度控制方法进行了研究。《建筑抗震设计规范》中定义的某楼层侧向刚度由下式给出：

　　Ki=Vi/Δui (1)

　　式中Vi为楼层剪力，Δui 为层间位移。由式(1)给出的楼层侧向刚度的定义可知,楼层侧向刚度比和层间剪力、层间位移有关。

　　γk=Ki/Ki+1=(ViΔui+1)/ (Vi+1Δui) (2)

　　其中,Vi、Vi+1分别表示第i、i+1层的剪力; Δui 、Δui+1分别表示第i、i+1层的层间位移。考虑到实际楼层位移的构成,既包括本层受力引起的弯曲和剪切变形产生的应变位移,也包括其下层楼层发生转动引起的刚体位移。一般前者可称为受力层间位移,反映了楼层实际的侧向刚度;后者可称为转动层间位移,与楼层侧向刚度无关。

　　仍以上面讲到的医院住院楼为例。该建筑采用框架剪力墙结构体系。我们下面以两种方式计算该建筑设备层以下一层(即图中第三层)与设备层的楼层侧向刚度比(为简便起见，第三层与其上部三层的侧向刚度平均值的比较不在本文中阐述)。

　　情况1：设备层与下部楼层墙体厚度及柱截面均无变化，混凝土强度等级均为C50。其中墙厚为400，框架柱截面为600x800。根据SATWE程序的计算结果，第三层与设备层Y向侧向刚度比为0.59。该结果不能满足规范要求。容易理解，在竖向构件同截面的情况下，层高小的楼层的侧向刚度必然小于层高大的楼层。如果这两个楼层相比过于悬殊，则必然引起刚度的突变。

　　情况2：设备层及其以上墙体厚度取为250，柱截面改为500x700，同时将设备层及其以上混凝土强度等级取为C40，下部混凝土强度等级仍为C50. 根据SATWE程序的计算结果，第三层与设备层Y向侧向刚度比为0.68，接近规范要求的0.70。对于层高有突变的建筑，这是一种最常用的以使上下层高度比变化均匀的方法。一般来说，这种方法可以使上下层的刚度比满足规范要求，避免出现薄弱层。但是，经常的情况是，我们并不能随意的加大下部墙或柱的截面，因为这将对建筑功能带来影响。另外，设备层及其以上的墙体或柱截面也不能变化过大，因为这将引起轴压比不能满足规范要求或层间位移角不能满足要求。因而，在这种情况下，有必要和建筑一起针对方案进行分析以确定下部哪些柱或墙可以适当的加大截面，哪些墙柱在满足轴压比的情况下无法加大。在较难满足规范要求的刚度比情况下，适当增加设备层以下剪力墙或在设备层及其上部将某些剪力墙取消将是非常好的一种方法，将会对下部与上部侧向刚度比的计算带来立竿见影的效果。

　　另外，除了调整竖向构件截面或取消以及增加竖向构件外，另一种可行的方法是调整水平构件。首先，可以调整连梁的截面高度。连梁的高度对剪力墙的刚度有较大的影响，这样通过减小设备层及其相邻上层剪力墙连梁的截面高度可减小这些楼层的侧向刚度;相应的，我们可以加大设备层以下的连梁截面高度以提高楼层的整体抗侧刚度。其次，除了剪力墙提供侧向刚度，梁柱组成的框架体系同样提供侧向刚度。特别是对于医院建筑这种一般采用框架剪力墙体系的结构，框架结构的抗侧能力不容忽视。而通过加大框架梁的刚度可以提高整个框架的侧向刚度。以一个两榀框架为例。如果梁的刚度无限大，即EIb=∞，则框架的侧向刚度为

　　K=24EIC/H3 (3)

　　其中，EIC为柱的弯曲刚度，H为柱高。

　　而对于无限柔的框架梁，即EIb=0，则框架的侧向刚度为

　　K=6EIC/H3 (4)

　　因而，框架梁对于整体框架侧向刚度的影响是显而易见的。

　　对于上面调整侧向刚度比的方法是处理由于楼层层高突变引起刚度比突变的主要解决方法。但是，该方法带来的不利影响也是明显的。增加设备层以下的梁柱截面而同时减小上部梁柱的截面，会给整个建筑的布局带来不利影响。底层过大的截面不仅影响使用，且对建筑物的美观有直接的影响。

　　对于大多数情况,对比层的层高相等或接近,以楼层侧向刚度比大小来衡量结构侧向刚度的规则性是方便可行的;但当对比层的层高相差悬殊时,以层侧向刚度比大小来衡量结构侧向刚度的规则性就可能失效。

　　根据对多个算例的分析，笔者认为采用(1)式定义侧向刚度是合适的，但采用(2)式来定义侧向刚度的变化(即刚度比)并不是很合适。更为合适定义楼层侧向刚度比的数据应是楼层的层间位移角的比值。即

　　γ=θi/θi+1=(HiΔui+1)/ (Hi+1Δui) (5)

　　其中, θi、θi+1分别表示第i、i+1层的层间位移角; Hi、Hi+1分别表示第i、i+1层的层高。

　　容易理解，在地震力作用下，如果整体结构沿楼层高度方向位移变化是均匀的，也就是说楼层侧移曲线是平滑的，则我们可以认为该建筑的侧向刚度是没有突变的。而对于楼层侧移曲线是否平滑的判别可通过层间位移角来控制。按照算例结果，如果下层与其相邻上层的层间位移角不大于1.15的情况下，即

　　θi/θi+1≤1.15时，可认为侧移曲线是平滑的。相对来说，层间位移角的比值是一个比较容易满足的数据。如果采用这种方法，我们可以在设备层上下截面变化不大的情况下取得较好的效果。