中山某医院消能减震设计与效果评价

中山某医院消能减震设计与效果评价

张志云

中元国际(上海)工程设计研究院有限公司， 上海 200237

摘要：本工程位于广东省中山市某医院，通过布置粘滞型阻尼器进行住院楼的消能减震设计与效果评价。

使用YJK（V6.0）软件建立住院楼模型，然后在结构位移较大处布置粘滞型阻器，通过对布置阻尼器前后的模型在多遇和罕遇地震作用下的对比分析，比较内容包括结构底部剪力、位移角、阻尼器滞回曲线和构件损伤因子，对阻尼器的消能减震效果作出评价。

关键词：框架–剪力墙结构；消能减震设计；粘滞阻尼器

1

1工程概况

本工程位于广东省中山市，总建筑面积为13460m2，中住院楼建筑建筑面积为52134m2。

本文以住院楼作为消能减震设计分析对象，概况如下：

住院楼地上21层，地下2层，总高度96m，地上部分标准层层高为4.2m；本工程设防类别为重点设防类，建筑设计使用年限为50年，本地区抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度0.10g，多遇地震作用按0.15g，设防地震、罕遇地震作用按0.10g；设计地震.分组为第一组，场地类.别为Ⅲ类；结构类型为.框架-剪力墙结构，框架、剪力墙抗震等均为一级。

该住院楼中，通过抗震分析，其结构位移较大区域剪力墙厚度为400-500mm，为有效提高抗震性能，决定采取消能减震技术，在结构中加入粘滞阻尼器[1]，形成框架-剪力墙-阻尼器结构，以提高抗震性能。

图1建筑总图

2消能减震基本原理

本工程为框架-剪力墙结构，剪力墙为抗震第一道防线，框架为第二道防线。其中框架刚度小，承担地震作用力小，因此需要调整剪力墙的厚度，以保证结构抗震性能。然而如此会增加结构自重，并且对建筑的使用功能造成不利影响，同时也会降低项目的经济性[2]。

因此，为了使结构能够更高效满足抗震要求，消能减震设计的应用愈发普遍。消能减震的原理为在结构抗震不利位置设置耗能装置（如粘滞阻尼器）[3]。在主体进入非弹性状态前，地震能量会被率先工作的耗能装置先进行消耗，使结构的主要构件的破坏程度减小，以及减小非线性变形和降低弹塑性反应，使结构的抗震性能得到提升。常见的能量方程可直观地表达其耗能原理[4]，见式（1）：

Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed（1）

式中：Ein为输入的地震能量；Ev为相对动能；Ec为粘滞阻尼器耗能；Ek为弹性应变能；Eh为弹塑性应变能；Ed为消耗的地震能量。输入相同的地震能量发现，构件弹塑性应变能量会降低。

在消能减震装置中，粘滞阻尼器是一种以粘滞材料为阻尼介质、速度相关型的耗能装置。其原理是利用液体的粘性提供阻尼耗散振动能量，从而减轻结构的损伤程度，达到减震的目的。公式为F=CVα，其中F为阻尼力，C为阻尼系数，V为活塞杆的运动速度，α为速度指数。

3研究目标

研究对象为该办公楼裙楼与主楼结构，不考虑地下部分与土体的影响。

3.1减震目标

本工程根据《高层建筑混凝土结构技术标准》[5]中规定，根据住院楼的特点选用抗震性能目标等级为C级，本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的结构抗震性能水准和减震性能目标详表1所示。

表1框架-剪力墙结构减震性能目标

3.2粘滞阻尼器的选择与布置

本工程采用粘滞阻尼器（VFD）实现消能减震措施。粘滞阻尼器由活塞、缸体以及粘滞材料等部分组成。结构的震动能量能够被阻尼器内部的粘滞阻尼材料有效耗散，因此降低了结果内部的震动引起的应力，实现减震的效果。

粘滞阻尼器的平面布置如图1所示。为考虑结构整体刚度，在层间位移较大的6~21层的统一位置依次布置。在前处理阶段，将钢斜杆作为粘滞阻尼器，并设置其阻尼系数为120kN·s/mm2，速度指数为0.2，有效刚度为400kN/m。

3.2模型建立与地震波选取

本工程使用盈建科软件构建原结构模型，应用弹性时程分析法和振型分解反应谱法计算结构的底部剪力，反应谱法选择2条人工波与5条天然波，反应谱法7条波的基底剪力平均值与时程分析法的基底剪力比值均满足《建筑抗震设计规范》的要求（65%~120%），且比值接近1[6]，证明所选地震波符合要求，见表3。

4消能减震结果分析

4.1多遇地震作用分析

表4为本单体布置减震构件前后的前6阶自振周期。由表4可知，减震结构的自振周期要小于原结构的自振周期，但是减小幅度不大，约为1.2%，由此可见减震构件对本结构的刚度影响较小。

本研究通过振.型分解反应谱法计算层.间位移角和基底剪力，得到.以下结论：

（1）在增设粘滞阻.尼器后，x向最大基底.剪力减少20.1%，y向最.大基底剪力减少22%，减幅均大.于20%，表明增设粘纸阻尼.器后的减震效果显著。

（2）原结构x向最大层间位移角为1/931，y向最大层间位移角为1/957。均满足规范要求的1/800。减震结构x向最大层间位移角为1//1137，y向最大层间位移角为1/1204，均大于减震目标要求的1/1000，减幅为22.1%和25.4%，达到既定减震目标。

表5原结构和减震结构的基底剪力和层间位移角

4.2罕遇地震作用分析

阻尼器滞回曲线如图2所示，滞回曲线形状较为饱满，由此可知具有较好的耗能能力。此外，从图中可知阻尼器两端的相对位移和阻尼力也较大，说明增加阻尼器能够起到有效的减震作用。

图2粘滞阻尼器阻力-位移曲线

（a）x向滞回曲线（b）y向滞回曲线

使用YJK软件对本结构的混凝土抗压以及钢筋抗拉的损伤情况进行分析，以判断结构构件的损伤程度。

通过分析，发现减.震结构的混凝土.的受压损伤和钢筋的受.拉损伤得到了一定程度的缓解。各层的损.伤因子减小，其底部加.强区和结构刚度发生.明显变化。与此同时，耗能构件连.梁破坏情况更加严重，而框架梁的.破坏比例下降，这表明减震效果相对明显。

5结论

结合实际的医院工程项目，本研究分析了多遇地震与罕遇地震作用下减震结构的地震反应，并分析了构件损伤情况，主要结论如下：

减震结构设计采用粘滞阻尼器（VFD），能够减小建筑在小震和罕遇地震情况下的层间位移角，普遍降低了约20%。性能分析表明，减震设计方案能够显著提高建筑的抗震性能，满足相关规范的限值要求。

分析结构损伤情况发现，通过增加粘滞型阻尼器的方式，混凝土的.受压损伤和钢筋的受.拉损伤减轻，剪力墙损伤因子减小，框架梁破坏比例下降，进一步验证了其结构具有较好的减震性能。

参考文献

[1]许进飞,赖正聪,白羽.粘滞阻尼器在某学校宿舍楼减震设计中的应用[J].工业安全与环保,2022,48(5):77–81.

[2]顾建,柏蕾.天津某办公楼消能减震设计[J].江苏建筑,2022(6):37–41.

[3]王鑫,李慧峰,都来盼.基于设置粘滞阻尼器的钢筋混凝土框架结构耗能减震分析[J].建筑技术开发,2022,49(21):7–9.

[4]周云.粘滞阻尼减震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2006.

[5]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3—2010[S].

[6]建筑抗震设计规范:GB50011—2010[S].

1