上海某医院建筑黏滞阻尼墙减震设计

上海某医院建筑黏滞阻尼墙减震设计

邱春毅

上海现代建筑装饰环境设计研究院有限公司，上海，200040

[摘要]  由于医院建筑使用功能的重要性及其在抗震救灾中的不可中断性，为提高其抗震性能，国家大力鼓励在医院建筑等建设工程中采用减震隔震技术。本文以某医院建筑的设计为案例，采用黏滞阻尼墙进行减震设计，配筋设计时采用“小震设计为主+子结构中震不屈服”的思路。然后分别进行三个水准地震作用弹性/弹塑性时程分析，以验证结构设计的安全合理性。时程分析时重点关注结构的层间位移角指标和结构的损伤情况。通过三个水准地震作用的时程分析，证明该结构的抗震性能明显提高，结构可以满足预先设定的性能目标，结构设计安全合理。

[关键词] 黏滞阻尼墙；消能减震；医院建筑

中图分类号：      文献标识码：        文章编号：

作者简介：邱春毅，本科学历，一级注册结构工程师。

Energy Dissipation Design for a Hospital Building Using Viscous Fluid Walls in Shanghai

QIU Chunyi

(Shanghai Xian Dai Architectural Decoration & Landscape Design Research Institute Co., Ltd, Shanghai, 200040)

Abstract: Due to the importance of hospital buildings in earthquake relief, the State encourages the use of energy dissipation technology in construction projects. This papertakes the design of a hospital building as an example, uses viscous fluid walls to reduceearthquake action, and uses the idea of “mainly based on frequent earthquake action & substructure non-yielding under medium earthquake action” during reinforcement design.Then the elastic/elastic-plastic time-history analysis under three earthquake levels is carried out to verify the safety and rationality of the structure design. The time-history analysis focuses on the inter-story displacement angle index and structural damage. Through the time-history analysis, it is proved that the seismic performance of the structure is significantly improved, and the structure can meet the pre-set performance goals, and the structure design is safe and reasonable.

Keywords:  Viscous FluidWalls; Energy Dissipation; Hospital Building

1   工程概况

本项目位于上海市静安区，为医疗建筑，其建筑功能包括住院、门诊、医技、后勤、办公等。项目共地上6层，地下1层，房屋地上总高度23.95米，属于多层建筑。项目采用现浇混凝土框架结构（局部斜柱），并布置一定数量的黏滞阻尼墙进行减震设计。结构三维模型图如图1所示。

2   结构设计参数及体系

项目场地位于抗震设防烈度7度区(0.10g)，多遇地震水平地震影响系数最大值0.08，设计地震分组为第二组，场地类别为上海IV类，场地特征周期为0.90s[1,2]。建筑结构安全等级为二级，结构设计工作年限为50年[3]。项目按重点设防类（乙类）进行抗震设防[4]，框架抗震等级为二级，其中楼梯间框架提高至一级，斜柱及其框架梁提高至一级，消能减震子结构提高至一级。

结构柱截面900~500mm，主梁梁高600~700mm，楼板厚度120-140mm。因地上各楼层的层高存在明显变化，其中的地上1F、5F层高明显大于其相邻楼层，设计时通过调整不同楼层的柱截面尺寸，将楼层的等效剪切刚度比值控制在规范要求的范围内。

地基基础采用桩基筏板，桩基选择无挤土效应的钻孔灌注桩，桩身直径600，有效桩长30米，桩端持力层 7-2层灰黄色粉砂，桩端入层深度约为2米。筏板基础厚度为600mm，柱下承台局部加厚。地下室外墙厚度为400。

3   阻尼墙方案及其布置

黏滞阻尼墙属于速度相关型阻尼器，其工作机理是利用结构层间的相对运动，使内外钢板之间产生速度梯度引起黏滞材料剪切滞回耗能，从而减低结构的动力响应[5]。黏滞阻尼墙不提供附加刚度，不传导竖向荷载，在多遇地震、设防地震、罕遇地震下均可通过流体发生剪切变形产生附加阻尼。

阻尼器上下端通过混凝土悬臂墙板与上下楼层的框架梁连接，阻尼器左右两端保持自由，其左右两端与建筑隔墙之间设置≥100mm的缝，缝内填充防火岩棉，使得阻尼器与隔墙之间形成空隙，在地震作用下阻尼器可以产生左右水平位移。

根据各层建筑平面功能，在不影响建筑使用功能的前提下，按照均匀、分散的原则，在各层平面布置黏滞阻尼器，阻尼器整体三维模型示意图如下：

黏滞阻尼器性能参数如下表1所示，其余性能要求均参照现行减隔震规范[6,7]的要求执行。

黏滞阻尼墙参数                  表1

4   减震性能目标和设计方法

房屋的减震设计目标见下表2，此性能目标即为上海市《建筑消能减震及隔震技术标准》第3.6章之性能目标2。

减震设计性能目标                表2

本项目的结构设计思路是：1、与阻尼器相连的消能子结构，其配筋设计按照小震（抗震等级已提高一级）、中震不屈服进行包络；2、特别地，考虑到上海地区IV类场地的特殊性（特征周期0.90s，相当于提高结构抗震的安全储备），且在小震配筋过程中不考虑附加阻尼的有利贡献，因此本项目配筋设计时，除子结构以外的其他结构构件，均仍按照小震为主的方法进行配筋设计（即并未按照全楼中震不屈服进行配筋），总结而言便是“小震设计为主+子结构中震不屈服”。

为了验证上述设计思路的安全合理，验证该设计思路下结构可以满足上述表2所定下的性能目标，下文将分别进行3个地震水准下的弹性/弹塑性时程分析，验证上述设计思路的安全合理性。

5   多遇地震弹性时程分析

在ETABS软件分析中，选取3条地震波，分别是：人工波SHW2、天然波SHW5、天然波SHW7，所有地震波的多遇地震加速度最大值均为35cm/s2。 

为了校核所建立的ETABS结构模型的准确性，将ETABS和YJK建立的非减震结构模型计算得到的质量、周期和基底剪力进行对比，如下表3-5所示。

结构质量对比                  表3

结构周期对比(前三阶）           表4

基底剪力对比                表5

从上述各表结果可知，本项目减震分析计算的ETABS模型与YJK模型基本一致，在质量、自振周期和结构基底剪力指标上的差异均较小。

经ETABS弹性时程计算，多遇地震下的最大层间位移角为1/903（X向）、1/1095（Y向为），均小于1/550的要求，满足预设的性能目标要求。结构层间位移角结果如下表6：

层间位移角                  表6

6   设防地震弹塑性时程分析

在ETABS软件分析中，选取3条地震波，分别是：人工波SHW2、天然波SHW5、天然波SHW7，所有地震波的设防地震加速度最大值均为100cm/s2。

经计算，设防地震作用下，结构最大层间位移角分别为X向1/305，Y向1/367。满足性能目标位移角1/250。如下表7：

设防地震层间位移角              表7

各地震波在设防地震弹塑性分析中的最终出铰状态如下图。由此可见，主体结构梁柱均未进入塑性状态，消能子结构中震不屈服，满足预定的性能目标。

7   罕遇地震弹塑性时程分析

在ETABS软件分析中，选取3条罕遇地震波，分别是：人工波SHW9、天然波SHW12、天然波SHW13，地震波的罕遇地震加速度最大值为200cm/s2，此时特征周期都取为1.10s。

罕遇地震弹塑性时程分析得到的结构基底剪力如下表8：

弹塑性时程分析基底剪力             表8

罕遇地震弹塑性时程分析得到的结构最大层间位移角分别为X向1/146，Y向1/157。满足设定的性能目标位移角1/120。如下表9：

罕遇地震层间位移角              表9

各地震波的最终出铰状态如下图。由此可见，罕遇地震作用下，部分框架梁和局部框架柱屈服状态为B到IO之间，整体结构塑性程度较低，满足设定的性能目标。在罕遇地震作用下与阻尼器相连接的框架梁进入塑性达到IO状态、框架柱无损伤，表明在罕遇地震作用下与阻尼器相连接的子结构损伤程度低于中等损伤，且满足受力小于构件极限承载力的性能目标。

8   结语

通过上述三个水准地震作用的弹性/弹塑性动力时程分析，本文的主要结论总结如下：

1、设防地震下，结构X向和Y向最大层间位移角分别为1/305、1/367，满足（且略高于）性能目标1/250的要求；框架梁和框架柱均未进入塑性、消能子结构满足中震不屈服，满足设定的性能目标。

2、罕遇地震下，结构X向和Y方向最大层间位移角分别为1/146、1/157，满足（且略高于）性能目标1/120要求；大震作用下，部分框架梁和局部框架柱进入屈服状态为B到IO之间。由此可知，整体结构塑性程度较低，满足预定的性能目标。

3、子结构在设防地震下满足不屈服的性能目标，在罕遇地震下子结构梁柱损伤不超过中度损坏，满足性能目标要求。

4、综上，本项目采用的设计方法（小震设计为主+子结构中震不屈服）安全合理，满足设定的性能目标要求。

参 考 文 献

[1]DGJ 08-9-2013，建筑抗震设计规程[S]. 上海：上海市建筑建材业市场管理总站，2013.

[2]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范（2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3]GB 55001-2021，工程结构通用规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2021.

[4]GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5]丁洁民，吴宏磊. 减隔震建筑结构设计指南与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

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

[7] DG/TJ 08-2326-2020，建筑消能减震及隔震技术标准[S]. 上海：同济大学出版社，2020.