混合减震技术在公共医疗建筑中的应用研究

混合减震技术在公共医疗建筑中的应用研究

郑诗婷

广东华方工程设计有限公司 广东广州 510000

摘要：公共医疗机构作为人员密集场所，对建筑物的抗震性能提出了严格要求，如果公共医疗建筑抗震性能差，一旦发生地震灾害，将直接危及人民群众的生命安全，并且也会给公共医疗机构造成巨大的经济损失。而基于防屈曲支撑与黏滞阻尼器两种消能装置相结合的混合减震技术的广泛应用，不仅提高了公共医疗建筑的抗震能力，同时，也使建筑整体结构的减震效率达到最优化。基于此，本文将借助于工程施工实例，对黏滞阻尼器与防屈曲支撑两种消能装置的基本构造以及特性予以说明，并通过对两种消能装置的耗能分析，来研究混合减震技术在公共医疗建筑中体现的实际应用价值。

关键词：公共医疗建筑；黏滞阻尼器；防屈曲支撑；混合减震技术

过去，公共医疗建筑多采用单一的防震、减震体系，这种体系在抵御6级以上的强震时，所表现出来的抗震能力较差，所以楼体发生倾斜、倒塌风险的概率会大幅增加。因此，为了提高建筑整体结构的稳定性，一种融合防屈曲支撑与黏滞阻尼器两种减震装置的新型减震技术应运而生，该技术不仅解决了耗能分析计算量过大的难题，并且二者构成的混合减震体系使建筑整体结构的安全性、稳定性得到显著提升。

1 公共医疗建筑实例

该施工项目是国内某省会城市的医院门诊大楼工程，医院等级属于三类甲等医院，日接待患者人数在6000-8000人之间。该建筑的设计抗震烈度为8度，场地类别为Ⅳ类，建筑结构的平面尺寸为51.5m×63.5m，总高度为56m，其中地上12层采用框架-剪力墙结构，地下两层。经过专家会审，最终决定该建筑的减震装置采用防屈曲支撑与黏滞性阻尼器相结合的结构，通过这种混合减震技术的有效实施，在增强建筑整体结构的稳定性方面将起到关键性作用。

2 混合减震装置的结构组成与基本特性

2.1 防屈曲支撑结构与特性

防屈曲支撑即约束支撑，建筑物所施加的荷载均由芯板承担，而外套筒与填充材料只能够对芯板的受压屈曲进行约束。该支撑结构的主要材质是低屈服点钢材或者普通低碳钢材，如果选用普通低碳钢，支撑结构在屈服耗能之前已经丧失了稳定性，其承载力也明显下降，在这种情况下，支撑结构的屈服耗能作用也难以显现，因此，防屈曲支撑多采用低屈服点钢材，这样可以大幅提升支撑的防屈曲能力。防屈曲支撑的力学特性如图1所示。

图1：防屈曲支撑的双线型滞回模型

在图1当中，Nby代表屈曲约束支撑的屈服承载力，Δy代表屈曲约束支撑的初始塑性变形，k代表屈曲约束支撑的初始刚度，q代表芯板钢材强化系数，在计算防屈曲支撑结构的屈服承载力时，芯板钢材强化系数通常在2%—5%之间，r代表屈指数，取值范围在2-20之间。当防屈曲支撑结构处于受压状态时，钢芯与外套筒之间将产生较大的摩擦力，这时，芯板刚度与承载力显著提升，这就很容易产生拉压承载力不对称的情况，为了避免这种情况的发生，芯板与套筒之间往往需要增设隔离面层，以减少钢芯与外套筒间的摩擦力[1]。

2.2 黏滞阻尼器结构与特性

    黏滞阻尼器主要包括两种类型，一种是流动阻抗式结构，另一种是剪切阻抗式结构。流动阻抗式结构以筒型为主，而剪切阻抗式结构多为墙型或者旋转筒型。黏滞阻尼器的基本工作原理是通过阻尼器内部流体的黏性作用产生的阻尼力来耗散能量。主要组成结构包括缸体、活塞、黏滞流体等，当黏滞阻尼器进入工作状态后，活塞与缸体间产生相对运动，这时，流体沿着活塞小孔流过，继而产生阻尼力，阻尼力与流体速度的关系式为F=Cva，在关系式中，F代表阻尼器出力，C代表阻尼系数，a代表阻尼指数，v代表流体的流动速度。目前，在公共医疗建筑中，多采用流动阻抗式黏性阻尼器，这种减震装置既可以改善建筑整体结构的稳定性，并且，在分析装置的耗能情况时，也能够减少很多繁琐的计算步骤。

3 混合减震装置的耗能分析

3.1 防屈曲约束支撑耗能

评定建筑物的抗震指标首先需要对减震装置的耗能情况进行分析，以此来确定该建筑物耗散地震能量的多少。经过实地验证，在不同等级地震的作用下，防屈曲约束支撑的耗能效应也存在明显差异。比如对地震灾害较为频繁的地区来说，防屈曲约束支撑将始终保持足够的弹性，因此，支撑结构也不会消耗能量，在这种情况下，防屈曲约束支撑只扮演普通钢支撑的角色，主要为整体结构提供抗侧刚度。对于地震发生概率偏低的地区来说，防屈曲约束支撑将保持完全屈服状态。从防屈曲约束支撑滞回曲线图上可以看出，在这种状态下，滞回环所围成的面积较大，曲线形状表现的更加饱满，从这一点便可以判断出防屈曲支撑已经完全参与到结构耗能当中。通过对防屈曲约束支撑耗能情况的分析，在地震作用力不断增大的情况下，支撑结构主要表现三种不同的工作状态，即单一的参与抗侧、次要参与耗能、同时参与抗侧与耗能，这三种工作状态的循环出现，可以进一步增地震能量的耗散量，降低地震对建筑物的破坏力。

3.2 黏滞阻尼器耗能

与防屈曲约束支撑结构相比，在该公共医疗建筑项目中，黏滞阻尼器的耗能量远远高于防屈曲约束支撑。如果防屈曲约束支撑称之为耗散地震能量的第二道防线，那么，黏滞阻尼器则被称之为第一道防线，可见，该装置在建筑防震、减震方面扮演着重要角色。其中，在多遇地震、设防地震以罕遇地震的情况下，黏滞阻尼器的最大出力与变形情况如表1所示。

表1：黏滞阻尼器X向与Y向两个主轴方向的最大出力与变形

通过对黏滞阻尼器滞回曲线的分析，同时结合表1中的数据，可以判断出黏滞阻尼器出力与变形始终处于正常区间，这一点便充分说明，无论地震烈度有多大，黏滞阻尼器都能够发挥自身的耗能作用，进而对地震产生的能量进行消耗。与此同时，在地震作用力不断增大的情况下，黏滞阻尼器的出力大小与变形量也随之增大，如果地震烈度增大，阻尼器变形的幅度将越来越大，而阻尼器出力的增加幅度相对较小。因此，在该建筑中，黏滞阻尼器能够表现出更加优越的防震与减震特性[2]。

3.3 混合减震结构的整体耗能

    该建筑中的减震结构主要包括防屈曲约束支撑结构、黏滞阻尼器，在分析和判定整体结构的耗能情况时，除了考虑防屈曲约束支撑与黏滞阻尼器的耗能情况外，还需要兼顾考虑结构阻尼耗能以及材料非线性耗能情况。在不同地震烈度的作用下，每一种耗能形式所表现出来的效果存在明显差异。比如多遇地震的情况下，X向结构阻尼耗能为52.4%，Y向结构阻尼耗能为49.4%，X向黏滞阻尼器耗能为46.8%，Y向黏滞阻尼器耗能为50.0，而防屈曲约束支撑与材料非线性耗能量均为0。从这一数据可以看出，在多遇地震的作用下，混合减震结构扮演重要角色的是结构阻尼耗能与黏滞阻尼器耗能，防屈曲约束支撑与结构材料并未消耗任何能量，在这种情况下，建筑物的主体结构处于弹性状态，这种状态能够使建筑物保持足够的安全度，即便该地区小震频繁，建筑物的整体稳定性也不会受到影响。

结束语：

    综上，通过对混合减震装置耗能情况的分析可以看出，在公共医疗建筑中，采用混合减震技术，防屈曲约束支撑在多遇地震作用下，表现出不屈服的特性，在设防地震与罕遇地震的作用下，内部结构将同时参与耗能，这就使建筑物整体结构受地震损伤的概率大幅下降。而黏滞阻尼器在多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下，都能够发挥耗能作用，这就使地震响应明显降低。因此，混合减震技术在公共医疗建筑中的推广应用，为保障建筑物整体结构的安全性与稳定性提供了强大的技术支撑。

参考文献：

[1]刘博.混合减震技术在医疗建筑中的应用研究[J].建筑结构,2020,50(S2):305-311.

[2]许立言,聂鑫,庄亮东,陶慕轩.基于混合消能减震技术的组合结构独柱高架站台抗震性能研究[J].建筑结构学报,2019,40(05):50-62.