论某医院住院楼阻尼墙的设计

论某医院住院楼阻尼墙的设计

蔡正一   

中国二十冶集团有限公司   上海   201900 

摘要：本文结合一个减震结构设计项目的案例，阐述了粘滞阻尼墙结构的计算分析及设计中注意的问题。

关键词：粘滞阻尼墙；减震；阻尼比

0  引言

黏滞阻尼墙：根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生节流阻力的原理而制成的，是一种与活塞运动速度相关的消能器。在地震来临时，消能器最大限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量，大大缓解了地震对建筑结构造成的冲击和破坏。

根据《抗规》消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和。本工程采用YJK软件试算的方式，首先估算出当结构达到目标位移值时，所需的总阻尼比，再用总阻尼比减去结构阻尼比，就是结构所需的附加阻尼比。使用大型有限元分析软件SAP2000建立减震结构模型，并进行结构模型的弹性时程分析和弹塑性时程分析。SAP2000软件具有方便灵活的建模、模拟功能和强大的线性和非线性分析功能。

    1  工程概况

本项目位于江苏省无锡市，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度峰值为0.1g，设计地震分组第一组，Ⅲ类场地，场地特征周期0.45s。采用混凝土框架-抗震墙结构形式，楼层数为12层，结构高度50.4m，面积19552.01m2，结构周期折减系数为0.70，属于重点设防类建筑。

经综合技术性及经济性，以及社会效益的考虑，最终选用墙式黏滞消能器减震技术。

2本工程阻尼墙设计的主要内容

（1）确定SATWE软件或软件中结构的减震目标，确定消能减震器参数和数量，以及消能减震器的安装位置及型式；

（2）计算附设减震器的减震结构在多遇地震作用下的结构响应：

（3）进行弹性时程分析，复核附加阻尼比；

（4）罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算，承载力不足的构件进行相应调整，最后完成与消能器相连的连接构件和结构构件的设计。

3结构计算分析

   3.1 减震器的布置位置

楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则，其详细布置位置详见下列各图：

  图1  减震器平面布置图

表1消能器用量表

3.2 分析模型的建立

在SAP2000中，使用连接单元damper模拟悬臂墙式黏滞消能器。本结构模型依据YJK建模得到。

悬臂墙式黏滞消能器参数：满足力学方程F=CVα

图2 SAP2000模型三维视图

图3SAP2000模型平面视图

图4 SAP2000模型立面视图

消能器连接单元在模型中的模拟形式如下图所示：

图5  LINK单元参数设置

利用大型有限元分析软件SAP2000建立了结构有限元模型，对其进行了结构动力特性分析和设计反应谱分析，结果表明所建立的模型能够准确地反映结构的动力特性，可以为结构分析提供可靠的计算模型。

 3.3 减震结构的弹性时程分析

3.3.1 地震波的选取

《建筑抗震设计规范》规定：输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间，一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一刻算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止；无论是实际的强震记录还是人工模拟波形，有效持续时间一般为结构基本周期的（5～10）倍。

采用时程分析法进行建筑结构的抗震计算，当取三组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值；当取七组及七组以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。多组时程曲线平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，7度（0.10g)时多遇地震和罕遇地震加速度时程的最大值分别为35cm/s2和220cm/s2。

本工程选取六条天然波和两条人工波,加速度时程曲线如下图所示：

图6 多遇地震加速度时程曲线

图7 罕遇地震加速度时程曲线

3.3.2 多遇地震下消能减震结构的时程分析

弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%。多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。从工程角度考虑，这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求。但计算结果也不能太大，每条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%。

X向非减震结构时程和反应谱分析楼层地震剪力对比（单位：KN）

Y向非减震结构时程和反应谱分析楼层地震剪力对比（单位：

kN）

在SAP2000分析中，弹性时程分析采用软件所提供的快速非线性分析（FNA）方法，即只考虑消能器的非线性、结构本身假设为线性。

3.3.3 附加阻尼比的计算

1）根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（以下简称《抗规》）的第12.3.4条：消能部件附加给结构的有效阻尼比，可按下列方法确定。

（1）消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：

                     （12.3.4-1）

式中：——消能减震结构的附加有效阻尼比；

——第个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量；

——设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

（2）不计及扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能，可按下式估算：

                             （12.3.4-2）

式中：——质点的水平地震作用标准值；

——质点对应于水平地震作用标准值的位移。

2）一个消能部件所消耗的能量的估算——Wcj

根据《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297-2013）的第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，可按下式计算：

                            （6.3.2-4）

式中：——阻尼指数的函数,本工程取值3.7；

——第j个消能器在相应水平地震作用下的最大阻尼力（kN）。

24表5.5.2结构附加阻尼比计算

 3.4 减震结构的弹塑性时程分析

弹塑性时程分析过程考虑材料非线性；采用小变形假定；不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，γ取0.5，β值取0.25，ɑ系数为0。弹塑性时程分析过程中，按八条地震波进行计算分析，最终结果取八条地震波作用下的平均值。根据规范对所选地震波进行调幅，调幅后的峰值加速度为400cm/s2。本节列举了结构在各个地震波作用下的结构响应结果。

表2 大震下非减震结构、减震结构最不利层间位移角比值

综上所述，本工程通过设置减震器以后，建筑性能明显提高，主要计算结果均满足规范及审查技术导则要求。

 3.5 采用减震结构的结果分析

本报告对结构的整体模型进行了弹性和弹塑性时程分析，采用不同地震波分析了结构在X向单向和Y向单向地震输入时结构的抗震性能，主要结果总结如下：

1） 多遇地震作用下，结构主体弹性，黏滞消能器为结构提供2.5%的阻尼比。

2） 罕遇地震作用下，减震结构X向的最不利层间位移角为1/234，非减震结构X向的最不利层间位移角为1/172，减震结构与非减震结构的水平位移比为0.74；减震结构Y向的最不利层间位移角为1/226，非减震结构Y向的最不利层间位移角为1/163，减震结构与非减震结构的水平位移比为0.72，满足“罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的水平位移比小于0.75”的要求。

3） 罕遇地震作用下，各黏滞阻尼墙均滞回耗能，发挥了良好的耗能能力，为结构主体提供了良好的安全保障。

5 结构构件的构造

5.1 阻尼墙的安装和连接

悬壁墙与两侧填充墙之间应有100mm缝隙填充柔性材料，粘滞阻尼墙的安装示意图如下：

5.2 阻尼墙周边相连的子结构框架梁和框架柱配筋加强

粘滞阻尼墙与上下层的框架梁分别直接连接，形成局部的转换结构，考虑到地震作用的往复特性对梁的弯矩作用效应，梁的配筋按照对称配筋进行。框架梁与框架柱相连，逐层向下传递，局部的框架柱配筋加强。

框架梁加强部位（以

C轴/（8-9）轴为例）框架柱加强部位（以C轴/4轴为例）

6框架-抗震墙结构采用粘滞阻尼墙的优点

1）传统抗震技术主要靠“抗”，采用粘滞阻尼墙属于结构减震的新体系主要靠“放”。传统的抗震通过提高结构自身的刚度或承载力来实现，不仅使用大量的材料，还会使构件变得粗大，构件增大到一定程度后效果也不明显。粘滞阻尼墙是通过自身装置，将地震对结构产生的巨大的能量转化为活塞运动的局部的动能，地震作用的能量短时间内得到释放。

2）与隔震技术相比，粘滞阻尼墙是速度型的消能减震技术，阻尼墙布置位置灵活，可根据建筑方案调整阻尼墙布置位置；采用隔震方案时隔震层位置在基础顶部、1层柱底，不可更改，对建筑影响较大。减震产品安装施可与主体结构施工同时进行，可交叉施工，不影响主体结构的施工进度；隔震项目按照规范要求，需等隔震层强度达到一定强度后才能进行上部主体结构施工，一般硬化周期在一个月左右，因此施工周期会增长约一个月的时间。减震项目使用寿命同主体结构，不需进行额外后期维护；隔震层需定期检修维护，并配置抽水设备，如有进水或者垃圾进入，需及时清理，隔震沟需定期检查，防止堵塞，以确保隔震支座可达到预期设计效果。

3）粘滞消能器即可用于抗震，又可用于抗风，类似于刚度特别大的弹簧置于大楼内，楼层层数越多和整体高度越高产生的效果越明显，使用范围广泛。

4）小减震下进入耗能阶段，耗能能力强；本身没有可计算的刚度,不影响加阻尼器前结构的周期和振型,对结构只附加阻尼，方便设计。

5）可在地震和大风荷载下重复使用;黏滞阻尼墙所使用的填充材料不易老化，且基本上不与空气接触，在正常的使用期间内性能几乎没有变化。

结语

粘滞阻尼墙是一种速度相关型耗能装置，能提供较大的阻尼，可以有效减小结构的振动。粘滞阻尼墙布置灵活，可以嵌在建筑墙体中，对建筑影响较小。

参考文献

[1].GB50068-2018建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社.2018.

[2]. GB50009-2012建筑结构荷载规范 [S].北京:中国建筑工业出版社.2012.

[3].GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S].北京:中国建筑工业出版社.2016.

[4].JGJ297-2013 建筑消能减震技术规程 [S].北京:中国建筑工业出版社.2016.

[5].JG/T209-2012 建筑消能阻尼墙 [S].北京:中国标准出版社.2012.