7度區某醫院住院樓消能減震設計與分析

龍善新，倉 盛，2，葉小剛

1.浙江科振工程技術有限公司，浙江寧波 315221

2.寧波城市職業技術學院，浙江寧波 315199

3.寧波市城建設計研究院有限公司，浙江寧波 315012

1 工程概況

本工程為一棟混凝土框架結構的新建醫院住院樓，地上6層（含局部出屋面的樓梯間、機房），無地下室，建筑高度為21.6 m（局部小屋面建筑高度為25.8 m）。本住院樓位于寧波市區，地震設防烈度為7 度（0.10 g），地震分組為第一組，根據地勘報告本項目為Ⅳ類場地，特征周期0.65 s。該建筑屬于重點設防類（乙類建筑），框架抗震等級為二級，周期折減系數為0.70。建筑平面布置示意圖見圖1。

圖1 標準層平面布置

消能減震技術一般是在主體結構位移較大或速度較大的部位設置阻尼器。利用消能器在一定水平地震作用下的耗能，達到減震的效果。本工程屬于乙類建筑，采用消能減震設計可顯著提高建筑物的抗震性能。

2 減震方案

2.1 減震技術的選用

消能器按特性分為速度相關型、位移相關型、兼有位移和速度特性的消能器。粘滯阻尼器是一種速度型阻尼器，是利用流體通過節流孔時產生粘滯阻力，進而耗散地震能量［1］。按《建設工程抗震管理條例》（中華人民共和國國務院令第744號）［2］第十六條地震重點監視防御區的新建學校、醫院等八大類建筑應當采用減隔震技術。本項目位于寧波市區屬于新建醫院，基于經濟效益及政策的考量故采用減隔震技術。隔震層設置受條件限制，經綜合比選采用減震技術。減震器在選用時考慮不影響建筑使用功能，不附加剛度給主體結構且小震下即提供附加阻尼，故選用墻式粘滯阻尼器減震技術。粘滯阻尼器的性能規格見表1，粘滯阻尼器的連接大樣見圖2。

表1 粘滯阻尼器性能規格

圖2 粘滯阻尼器連接大樣

2.2 結構性能目標及減震目標

根據《建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）》［3］和《建筑消能減震技術規程（JGJ 297—2013）》［4］，本工程減震目標設定見表2。結構及消能部件的性能目標見表3。

表2 結構減震目標

表3 結構及消能部件的性能目標

考慮框架底部樓層層間位移角較大，粘滯阻尼器布置在住院樓的1～3層位移角較大位置，且盡量均勻、對稱。為不影響建筑使用功能，粘滯阻尼器布置時結合了建筑隔墻的位置，故部分位置阻尼器不完全對稱布置［5］。結合建筑平面布置和粘滯阻尼器的布設原則［6］等情況，本建筑布置了21個粘滯阻尼器。其中1～3層每層沿縱向布置3個，沿橫向布置4個。橫向布置間距約為20 m，縱向布置間距約為37 m。將每層粘滯阻尼器進行歸類編號，個數及平面布置見圖3。

圖3 1～3層粘滯阻尼器平面布置

3 結構計算及主要結果

3.1 結構計算模型及參數

本工程為鋼筋混凝土框架結構，根據《建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）》［3］《建筑消能減震技術規程（JGJ 297—2013）》［4］以及上海市地方標準《建筑消能減震及隔震技術標準（DG/TJ 08—2326—2020）》［7］中關于消能減震設計的計算分析要求，小震彈性采用YJK計算，計算參數中按彈性時程結果調整附加阻尼比。本工程粘滯阻尼器在小震下即參與協同工作，附加阻尼比采用SAP2000彈性時程分析計算結果確定。

小震彈性時程和大震彈塑性時程分析均使用SAP2000。在SAP2000 建模時，采用連接單元damper模擬懸臂墻型粘滯阻尼器，damper單元使用麥克斯韋模型，麥克斯韋模型由線性彈簧和阻尼器兩部分串聯組成。SAP2000整體模型見圖4。

圖4 SAP2000計算模型

3.2 模型可靠性驗證

YJK 軟件和SAP2000 軟件小震下的反應譜分析對比計算結果見表4～6，2個軟件計算結果差值不大于5%，說明用于減震分析的非減震SAP2000 模型與YJK 計算模型基本一致，可進一步用于減震分析。

表4 地震剪力對比

表5 周期對比（前三階）

表6 層間位移角對比

3.3 地震波選擇

本項目選取了5條實際地震波和2條人工波，7條地震波的信息見表7。時程反應譜與規范反應譜曲線對比結果見圖5。滿足《建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）》要求的“在統計意義上相符”。

表7 7條地震波的信息

圖5 7條時程反應譜與規范反應譜對比

3.4 彈性時程分析結果

SAP2000 彈性時程分析時采用快速非線性分析（FNA）方法，即只考慮粘滯阻尼器的非線性，結構本身仍假設為線性。由于附加阻尼的有利影響，減震結構反應譜工況下的基底剪力比非減震結構的基底剪力有明顯減少。小震下時程反應譜與規范反應譜層剪力對比見表8。

表8 7條地震波時程反應譜與規范反應譜層剪力對比

減震前小震下的最大位移角為1/554（2F），減震后小震下的最大位移角為1/727（2F），可見小震下粘滯阻尼器耗能減震效果明顯。本工程粘滯阻尼器X01小震下的滯回耗能曲線見圖6。

圖6 小震下X01(T1-X)的滯回曲線

3.5 附加阻尼比的計算

根據《建筑抗震設計規范（GB 50011—2010）》第12.3.4 條，附加阻尼比應按下式計算

式（1）中：ξa為附加有效阻尼比；

Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移Δuj下往復循環一周消耗的能量；

Ws為設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能。

根據SAP2000 彈性時程分析結果，粘滯阻尼器附加給結構的有效阻尼比按上述規范公式計算，計算結果見表9、表10。

表9 X向附加阻尼比計算

表10 Y向附加阻尼比計算

根據彈性時程分析結果可知此結構采用阻尼器后小震下即可實現阻尼器耗能，阻尼器提供了附加阻尼使結構水平地震力和樓層剪力減少。小震下全樓彈性，達到了減震目標及性能目標。

3.6 罕遇地震下彈塑性時程分析結果

本工程采用SAP2000 軟件進行了減震結構的彈塑性時程分析。主體結構框架梁、柱（除粘滯阻尼器周圍框架外）均定義了塑性鉸，且YJK 模型的鋼筋信息均導入SAP2000模型中。彈塑性時程分析采用程序提供的Hilber-Hughes-Taylor 逐步積分法，考慮材料非線性，不考慮結構的幾何非線性。所選地震波為小震彈性時程分析時的7條地震波，對7條波分別作用于X、Y兩個方向的14個工況進行結構的動力彈塑性分析。本項目對罕遇地震作用下減震結構與非減震結構的層間位移角進行了對比，主要計算結果見表11。

表11 罕遇地震下減震結構與非減震結構的層間位移角比值

綜上所述，本工程通過設置粘滯阻尼器以后，建筑抗震性能明顯提高，減震結構層間位移角有所減小。

為了保證罕遇地震下乙類建筑的安全，使本項目耗能合理，允許結構在罕遇地震作用下部分構件出現塑性鉸。本項目減震結構的結構損傷程度明顯小于非減震結構。本項目罕遇地震作用下非減震結構第175步的出鉸情況見圖7。罕遇地震作用下減震結構第175步的出鉸情況見圖8。

圖7 罕遇地震作用下非減震結構第175步結構出鉸情況

圖8 罕遇地震作用下減震結構第175步結構出鉸情況

由圖7及圖8對比可知，使用阻尼器后結構損傷明顯減輕。且結構先出現梁鉸后逐步出現柱鉸，結構耗能機制合理，減震效果較好，根據上述結果可知加阻尼器后本結構滿足大震下減震目標。阻尼器周圍框架及節點均按滿足極限要求，以罕遇地震下構件的彈性內力進行配筋，材料強度采用極限值。

以圖9 所示500 mm×1 000 mm 的梁截面為例，其大震下最大受力為一層頂①、②軸交B 軸處主梁，梁受力為V=891 kN，M=1 423 kN·m。

圖9 一層頂①、②軸交B軸處子結構梁

按最大彎矩算得受拉鋼筋滿足抗規6.3.4條的規定。此梁跨高比大于2.5，經驗算剪壓比為0.131，滿足《混凝土結構設計規范（GB 50010—2010）》第11.3.3 條要求，當箍筋為10@100 mm（4 肢）的情況下可滿足《混凝土結構設計規范（GB 50010—2010）》第11.3.4條受剪承載力的要求。

子結構框架柱也在大震下提取受力結果，并完成截面配筋。經驗算柱剪壓比及軸壓比均滿足要求。

本項目大震下粘滯阻尼器X01的滯回曲線見圖10。

圖10 罕遇地震下X01(T1-X)的滯回曲線

3.7 經濟技術指標對比

采用減震技術前后的主要經濟指標見表12，兩者相比，減震結構單方造價可優化成本約7.6%，有較好的經濟效益。本項目有綠建三星和裝配式建筑要求，根據《綠色建筑評價標準（GB/T 50378—2019）》第4.2.1條采用消能減震技術可得10分；根據《寧波市裝配式建筑裝配率與預制率計算細則（2018甬DX-15）》第4.2.7條，采用減隔震技術，預制率可得6分。綜合以上兩項得分對造價的有利因素，本項目采用減震技術后，單方造價約減少25元/m2。若不考慮綠建及裝配式的有利影響，單方造價約增加10元/m2。

表12 減震技術前后的主要經濟指標

4 結論

本文通過對7度區采用粘滯阻尼器減震的某醫院住院樓進行消能減震效果分析，得出如下結論：

1）多遇地震作用下，粘滯阻尼器提供附加阻尼比平均值分別為X向3.93%，Y向3.39%，位移角有所減小，水平地震力減小約20%。粘滯阻尼器在小震下即起到良好的耗能效果，本項目采用減震技術后，綜合單方造價約減少25元/m2，經濟效益明顯。

2）罕遇地震作用下，構件開始進入塑性，框架梁先出現塑性鉸，而后柱子出現柱鉸，結構總體滿足“強柱弱梁”的要求。

3）罕遇地震作用下，減震結構與非減震結構的水平位移比為0.87，減震效果較明顯。本項目采用減震器前大震下即滿足位移角1/100的減震目標，故選擇小噸位的粘滯阻尼器作為耗能構件，各粘滯阻尼器在大震下均塑性滯回耗能，發揮了良好的耗能能力，為結構提供了良好的安全儲備。