内蒙古自治区某医院医务综合楼消能减震设计

内蒙古自治区某医院医务综合楼消能减震设计

张琳

哈尔滨工业大学建筑设计研究院有限公司，哈尔滨 150090

【摘要】内蒙古自治区某医院医务综合楼结构体系为框架⁃剪力墙结构，设防烈度为8度0.2g，抗震设防类别为乙类。针对本工程的特点，采用带黏滞阻尼器(VFD)实现消能减震，提高结构抗震性能，降低地震输入响应，减小结构变形。采用ETABS振型分解反应谱、弹性时程和弹塑性时程分析计算；对比减震及非减震结构分析的结果发现，采取消能减震措施，小震作用下结构基底剪力和层间位移角的减震效果明显，可以满足结构预定附加等效阻尼比要求；大震作用下结构减震效果良好，弹塑性层间位移角满足规范及既定性能目标。

【关键词】消能减震；黏滞阻尼器(VFD)；附加阻尼比

0 引言

2014年2月，住建部发布《关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见(暂行)》(建质(2014)25号^[1])，要求对于抗震设防烈度8 度(含8 度)以上地震高烈度区、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、医院等人员密集公共建筑，应优先采用减隔震技术进行设计。该文件的发布具有重大的意义，是减隔震技术在全国范围内推广应用的指导性文件。

1工程概况及结构设计方案

1. 1 工程概况

本项目位于内蒙古自治区呼和浩特市，建筑功能为住院楼。建筑高度为72.60m，结构体系为框架-剪力墙结构，地上结构为 17 层，地下2层，建筑平面呈Z字型，结构地下不设缝，地上通过１道x向防震缝将其分为２个相互独立的结构(B楼和C楼)。建筑效果及剖面图如图1、图2所示。

依据规范《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB50223—2008)^[3]，该医务综合楼结构设计使用

年限为50年，安全等级为一级，建筑物抗震设防分类为乙类，抗震设防烈度为 8 度(0. 2g)，地震分组为第二组，场地类别为 II 类，整栋建筑物的抗震等级为一级。工程地基基础等级甲级，B、C楼采用CFG桩复合地基上的筏板基础。

1. 2结构设计方案

根据《住房和城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见(暂行)》(建质

(2014)25号^[1])的要

B楼

C楼

B楼

C楼

2减震方案选择

2.1 减震目标

本工程所在地区结构设防烈度8度，使用功能为医务综合楼，属于在地震时使用功能不能中断且需尽快恢复的生命线建筑，地震时可能导致大量人员伤亡，采用减震技术可提高结构的抗震性能，使医务综合楼(B楼和C楼)在增设粘滞阻尼器后达到附加阻尼比3%的效果，提高结构的抗震安全度。

通过在结构框架中增设黏滞阻尼器来提高结构在多遇、罕遇地震作用下的安全储备，实现相关减震设计目标，保证其在使用荷载作用下的正常使用功能。结合建筑隔墙位置，尽量按照均匀、分散、上下尽量对齐的原则布置黏滞阻尼器。黏滞阻尼器采用单节点单阻尼器和单节点双阻尼器两种布置形式，支撑采用墙体支撑安装方式。图3为该标准层建筑平面图，图4为典型楼层结构布置图及阻尼器布置图。

2.2减震方案

黏滞阻尼器最初应用于军工、机械等领域的振动控制之中，因其具有对温度的不敏感性、产生的阻尼力与相位异相、以及能在较宽频域范围内使结构保持粘滞线性反应等诸多优势，使之在土木工程领域迅速成为设计人员广泛认可的消能减震装置。

黏滞阻尼器作为一种无需外部能源输入提供控制力的被动控制装置，将地震或风荷载输入结构的大部分能量加以吸收和耗散，从而保护结构的安全。黏滞阻尼器滞回曲线呈饱满的椭圆形，具有很强的耗能能力，既使在微小变形条件下，不对主体结构附加刚度，有效解决阻尼器初始刚度难以与结构侧向刚度相匹配的问题，具有适用性好，且维护费用低等特点，受到越来越广泛的重视，研究和应用均取得了较快的发展，已经从作为结构附加保护系统的第二道防线发展成为结构构件的一部分，并将逐渐取代传统的结构抗震构件。

考虑到医院的使用功能上下隔墙很难对齐，且很少有完整的整跨隔墙，本工程拟采用墙式黏滞阻尼器(VFD) ，墙式黏滞阻尼器安装示意图见图5。B楼结构黏滞阻尼器设计参数见表1。

表1B楼结构黏滞阻尼器设计参数与数量

3.1模型准确性校核

限于篇幅以B楼为例，采用PKPM进行振型分解反应谱分析，采用ETABS进行振型分解反应谱分析、多遇地震弹性时程分析、罕遇地震弹塑性时程分析。ETABS无阻尼器三维结构模型见图6。

为了校核所建立的结构模型准确性，分别对无阻尼器模型(简称无控模型)及采用黏滞阻尼器模型(简称有控模型)进行多遇地震时程分析，考察减震前后的结构响应，并与振型分解反应谱法的计算结果进行对比。将PKPM和ETABS建立的无控模型计算得到周期和振型分解反应谱法下的楼层剪力见表2、表3。

表2 B楼结构周期对比(前三阶)

表3 B楼楼层地震剪力(底部三层)对比

对比本工程减震分析计算的PKPM模型与Etabs模型分析结果可见，在结构质量、周期和楼层剪力方面的差异很小，两个软件计算结果基本一致，有效验证了该模型的正确性，可以作为非减震结构的动力响应计算的基准模型，也可以作为后续减震分析的初始模型。

3.2地震波的确定

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010)^[2](简称抗规)第5.1.2条、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)^[4](简称高规)第4.3.3条中的相关规定，本工程选取采用7条地震波。分别为：两条人工波(ArtWave-RH1波、ArtWave-RH4波)和五条天然波(Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2960波、 ELCentro波、H1波、ImperialValley-06_NO_159波、Livermore-01_NO_212波)。 (命名为为地震一~地震七，时程曲线略)。真实地震波反应谱与规范反应谱的平均误差满足规范要求。

地震波的选用原则如下：地震波特性应接近II类场地，场地卓越周期Tg=0.40s；平均反应谱曲线与规范的反应谱曲线在统计意义上相符。在对应周期点上与规范反应谱曲线平均相差不大于20%。设防烈度：8度(0.20g)，多遇地震：70cm/s²，设防地震：200cm/s²，罕遇地震：400cm/s²。

由表4可见，结构所采用的7条地震动，每条地震动时程曲线计算所得结构底部剪力均位于振型分解反应谱法计算结果的65％~135％区间；7条地震动时程曲线计算所得结构底部剪力(包括其他各层层间剪力)的平均值位于振型分解反应谱法计算结果的80％~120％区间。时程分析所采用的地震动满足《建筑抗震设计规范》相关要求。

表4 B楼楼层地震基底剪力对比

3.2结构水平剪力计算

限于篇幅，多遇和设防地震作用下，B楼结构Y向层间剪力计算对比分别见图7~8。由图可见，在多遇地震作用下，减震结构与非减震结构相比，结构层间剪力有较大幅度减少，X方向最大减震效果达26.16%，Y方向最大减震效果达29.11%。

设防地震作用下，减震结构与非减震结构相比，结构层间剪力亦有较大幅度衰减，X方向最大减震效果达15.65%，Y方向最大减震效果达16.60%。可见，结构中增设黏滞阻尼器后，有效提高了结构在地震作用下的抗震性能。

3.3结构水平位移计算

限于篇幅，多遇、罕遇地震作用下，减震后结构Y向层间位移角分别见图9~10。在多遇地震作用下，部分地震波作用B楼的层间位移角不满足1/800的要求，在结构中设置黏滞阻尼器后，结构X向层间位移角减小，最大减震效果达40.80%；结构Y向层间位移角亦有一定幅度减小，最大减震效果达到29.13%。可见，通过设置黏滞阻尼器进一步提高了结构的安全储备。

3.4结构黏滞阻尼器耗能性能分析

以B楼为例，图11显示了结构在地震波ArtWave-RH4作用下部分黏滞阻尼器的滞回曲线。

可见，非线性黏滞阻尼器在设防、罕遇地震作用下均具有滞回曲线饱满的特点，说明黏滞阻尼器具有优越的耗能能力，衰减地震输入结构中的能量，进而提高结构的抗震安全储备。

3.5等效附加阻尼比的计算

根据抗规第 12.3.4条，消能部件附加给结构的有效阻尼比可按公式(1)估算：

公式(1)

不计扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能可按公式(2)估算：

W_s=(1/2) 公式(2)

根据《建筑消能减震技术规程》(JGJ297-2013)^[5]第 6.3.2 条第5款，非线性黏滞消能器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量Ｗ_cj可按公式(3)计算：

公式(3)

表5 B楼多遇地震作用下的附加阻尼比

多遇地震作用下的附加阻尼比计算结果见表5，Ｘ向和Ｙ向最小的附加阻尼比分别为4.562%和3.523%，满足多遇地震下附加阻尼比3%的性能目标。从上述分析可以看出，采用VFD能够很大程度改善结构的抗震性能，有效地减少结构位移，满足了预期的目标。

4结论

通过某医院医务综合楼进行输入地震动的动力响应分析，采用消能减震技术进行减震控制，对医务综合楼B楼和C楼进行多遇、设防和罕遇地震作用下的减震控制动力时程分析，得到以下结论：

1、在提高结构抗震性能储备方面

通过结构中设置非线性黏滞阻尼器，有效降低其在多遇、设防和罕遇地震作用下的动力响应，大大提高结构的抗震性能与抗震安全储备。弹塑性时程分析结果表明，减震结构在罕遇地震作用下的层间位移角满足规范要求，也满足预期的减震目标；阻尼器滞回曲线饱满，在地震作用过程中可一直持续稳定工作，切实起到消耗地震输入能量的作用。

2、在改善结构附加阻尼比方面

考虑结构抗震性能提高的需求，通过设置黏滞阻尼器来增加结构的附加阻尼，本工程减震控制方案在X、Y方向均能为结构附加3%以上的附加阻尼比。

3、在震后维护与使用方面

减震控制方案中的黏滞阻尼器在第一时间耗散地震输入的能力，结构构件仅承担部分地震作用，在地震作用下不易发生损坏。黏滞阻尼器即便在震后需要替换，也因其两端采用铰接连接而易于更换。而非减震结构方案在地震作用下必须通过自身的塑性变形来消耗地震能量，则结构构件将必然产生损伤，其在震后的修复难度很大。

参考文献

[1]住房和城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见(暂行)：建质(2014)25号[A]．北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2014.

[2] 建筑抗震设计规范：GB50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]建筑工程抗震设防分类标准：GB50223—2008［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5] 建筑消能减震技术规程：JGJ 297-2013[S]．北京：中国建筑工业出版社，2013．

[作者简介] 张琳 女，黑龙江哈尔滨市人，高级工程师，结构设计。