宿迁市公共卫生服务中心消能减震设计

Energy Dissipation Design for Public Health Service Center in Suqian

许楚平，吴见丰，周晓春（江苏省建筑设计研究院有限公司，南京　210019）



宿迁市公共卫生服务中心消能减震设计

Energy Dissipation Design for Public Health Service Center in Suqian

许楚平，吴见丰，周晓春
（江苏省建筑设计研究院有限公司，南京210019）

摘要：该文详细分析了宿迁市公共卫生服务中心消能减震设计的全过程。首先进行了结构减震必要性的分析，其次采用ETABS程序对减震结构进行多遇地震作用下时程分析，对结构整体抗震性能进行评价。最后作出罕遇地震作用下关键构件的性能评估。分析结果表明：减震结构具有良好的抗震性能，罕遇地震作用下，关键构件性能表现良好。

关键词：消能减震；多遇地震；罕遇地震；性能评估

吴见丰（1985－），男，福建宁德人，研究生，工程师，主要从事建筑结构设计工作。

周晓春（1982－），女，江苏南通人，本科，工程师，主要从事建筑结构设计工作。

Abstract：A detailed analysis on the whole energy dissipation design procedure for Public Health Service Center in Suqianis presented. Started with analysis on the necessity of energy dissipation design, the ETABS program is then adopted to perform the time history analysis under the frequent earthquake level to evaluate the seismic performance of the whole structure．Finally the performance of the critical components is evaluated under rare earthquake level．The analysis shows that the earthquake-resistant structure has good seismic performance and its key components behave well under rare earthquake level.

Keywords：energy dissipation；frequent earthquake；rare earthquake；performance evaluation

1　工程简介

江苏省宿迁市公共卫生服务中心主楼为地上十三层及地下一层，地上一层层高5.4m，二至四层层高4.2m，五至十二层层高3.9m，十三层层高5.4m，主体结构地上高度为54.9 m。该工程主体结构拟采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。宿迁市位于地震高烈度区，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[1]将其划为8度区，地震基本加速度为0.30g。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.3.1规定，该工程主楼房屋高度54.9m不超过框架-剪力墙结构体系的A级最大高度（80m）；参考《建筑抗震设计规范》GB50011-2010表6.1.1规定，亦不超过框架-剪力墙结构体系的最大高度（80m）。综上所述，按现行规范工程属一般高层建筑工程。

通过初步设计分析表明，由于结构层间地震剪力较大，使得层间位移不易满足规范要求，且大部分构件超筋，采用常规方法设计该建筑已不能满足规范要求。若采用在局部楼层配置软钢阻尼墙的方式（消能减震技术），给结构提供附加阻尼以消耗输入主体结构的地震作用，相应减小了结构的层间地震剪力及层间位移角，可满足规范设计要求，并可进一步提高结构的抗震性能。宿迁市公共卫生服务中心抗震设计概况等详见文献[2]。

2　消能减震设计

2.1可行性及必要性研究

由于工程位于地震高烈度区（8度区、地震基本加速度为0.30g），按照传统设计方案，层间位移较大，需要增设较多的抗震墙，才能满足规范要求，且结构构件的截面及配筋量大大增加；这样势必影响了建筑本身的使用功能且经济性不佳。如采用消能减震技术可以解决上述问题。消能减震技术已在多国得到广泛应用，不少国家已经编制或正在制定有关的设计指南或设计规程[3-6]，根据国内外消能减震技术研究和工程实践经验，在该工程中采用消能减震技术是可行且必要的。

2.2建立非减震结构计算模型

采用有限元软件ETABS建立工程的减震结构和非减震结构的三维有限元模型，并进行结构的静、动力计算分析，获取结构在弹性和弹塑性阶段真实的动力响应，为工程消能减震设计方案提供依据。

采用软件ETABS建立工程非减震结构的有限元模型，如图1所示。通过Ritz向量法计算出了结构的动力特性，非减震结构模型前3阶振型如图2所示。其计算结果可为减震设计方案提供重要信息，且可初步判断模型的准确性。

图1　非减震结构模型三维视图及立面视图

图2　非减震结构模型前3阶振型图

采用软件EATBS计算按规范规定的振型分解反应谱8度多遇地震下的地震反应，并与软件SATWE计算结果进行比较，各楼层X向地震剪力和层间位移的计算结果对比如图3所示。

图3　楼层X向地震剪力和层间位移计算结果对比

通过对不同软件模型的结构动力特性分析和设计反应谱分析显示，ETABS模型和SATWE模型质量误差率最大为2.0%，前6阶自振周期误差率最大为4.8%，结构层间剪力误差率最大为3.27%。上述数据表明，软件ETABS建立的计算模型可靠，该工程可以采用该模型进行结构时程分析。

3　消能减震时程分析

3.1设计地震波的判定

工程共采用了8条地震波（6条天然波+2条人工波）图4进行了结构时程分析，时程分析法与振型反应谱法计算楼层地震剪力结果对比详见图5。时程分析所采用的地震波满足《建筑抗震设计规范》5.1.2.3条要求。

图4　 8度（0.30g）多遇地震波加速度时程

（a）非减震结构X向楼层地震剪力对比

图5　时程分析法与振型反应谱法计算楼层地震剪力结果对比

3.2消能减震部件（软钢阻尼墙）的布置

设置消能减震部件（软钢阻尼墙）的主要目的是控制结构的层间位移，以达到抗震设防的要求，其抗震设防目标可高于未采用减震设计建筑的抗震设防目标。根据对非减震结构的分析，在抗震设防烈度为8度（地震基本加速度为0.30g）地震作用下，工程采用减震结构，抗震设防目标为层间位移角不大于1/800。

根据抗震设防目标布置阻尼墙，阻尼墙的平面布置应规则、对称，尽量缩小质心与刚心距离，减少结构的扭转效应，宜设置在层间变形较大的地方且形成合理的受力体系，并满足建筑功能的使用要求。该工程阻尼墙数量和分布经多轮结构时程分析及优化，最终确定了软钢阻尼墙布置方案：X向共布置20片软钢阻尼墙，Y向共布置26片软钢阻尼墙，相当于给结构X向及Y向各附加7%的阻尼比。各层软钢阻尼墙数量见表1，各层软钢阻尼墙平面位置见图6。

（a）9-11阻尼墙布置

表1　软钢阻尼墙分布数量

图6　各层软钢阻尼墙平面位置

3.3软钢阻尼墙的单元选取与本构关系

在进行结构振动反应分析时，软钢阻尼墙的荷载—变形关系大都可仿照传统钢结构的双线性滞回模型进行近似处理。因此该工程使用Wen滞回模型模拟软钢阻尼墙的基本阻尼特性，Wen滞回模型如图7所示。在ETABS中选用NLINK单元模拟阻尼器，单元属性参数按Wen滞回模型输入。

图7　 Wen滞回模型

其恢复力f可用式（1）表示：

其中K为弹性刚度，Fdy为屈服强度，ratio为屈服后的第二刚度与屈服前的弹性刚度的比值，z为恢复力模型的内部参数，而且

屈服面上，|z|，z的初值为零，满足：

exp为屈服指数，是大于1的数，当exp的值较大时，Wen滞回模型即为双曲线模型。

3.4消能减震结构时程分析

根据《建筑抗震设计规范》的要求，将选用的8条地震波峰值调到多遇地震水准条件下进行非线性时程分析。图8给出了8度多遇地震的作用下X及Y向减震结构楼层的地震剪力。图9给出了8度多遇地震作用下X及Y向减震结构层间位移角。分析结果表明，工程采用的减震结构方案在8度多遇地震作用下，X及Y向的楼层层间位移角均不大于1/800，满足《建筑抗震设计规范》[5]的要求。

图9　多遇地震作用下减震结构层间位移角

3.5结构总等效阻尼比的确定

该工程采用结构软件ETABS对减震结构模型和非减震结构模型进行时程分析，分别计算了8条地震波作用下的层间地震剪力，减震系数=减震结构层间地震剪力/非减震结构层间地震剪力，最终取8条地震波减震系数的平均值作为软件ETABS模型的实际减震系数。

采用结构软件SATWE计算非减震结构模型，分别计算阻尼比取12%和5%的结构层间地震剪力。软件SATWE模型折算减震系数=阻尼比为12%结构层间地震剪力/阻尼比为5%结构层间地震剪力。ETABS和SATWE模型减震系数对比见表2、表3。两者对比显示，该工程采用软件SATWE计算分析非减震模型（阻尼比取12%）得到的各楼层地震剪力均大于采用软件ETABS计算分析减震模型取得各楼层地震剪力。因此，工程采用软件SATWE进行简化减震结构设计时，可采用12%阻尼比（即结构总等效阻尼比）进行多遇地震作用下计算分析，且是安全可靠的。

表2　 X向ETABS和SATWE模型减震系数对比

表3　 Y向ETABS和SATWE模型减震系数对比

4　关键构件性能评估

4.1阻尼墙最大输出阻尼力

《建筑抗震设计规范》第12.3.7规定：在消能器施加给主结构最大阻尼力作用下，消能器与主结构之间的连接部件应在弹性范围内工作，与消能部件相连的结构构件设计时，应计入消能部件传递的附加内力。

表4给出了采用软件EATBS分析计算的罕遇地震作用下减震结构中各层阻尼墙的最大输出阻尼力。以此作为在罕遇地震作用下与阻尼墙相连的钢骨混凝土梁的验算荷载。

表4　罕遇地震作用下的最大输出阻尼力

4.2阻尼墙最大位移

采用软件EATBS分析计算减震模型在罕遇地震作用下弹塑性阻尼墙的X方向的最大位移为20.3mm，Y方向的最大位移为19.5mm，均不超过厂商提供的极限值。所以在罕遇地震作用下该工程建立的减震模型也满足设计要求。

4.3与阻尼墙相连梁的性能评估

该工程与阻尼墙相连的构件采用钢骨混凝土梁，根据相应的规范及规程，在罕遇地震作用下与阻尼墙相连的钢骨混凝土梁应在弹性范围内工作。

经分析计算与阻尼墙相连的钢骨混凝土梁均符合要求，其中剪力最大利用率与弯矩最大利用率的钢骨混凝土梁分别列于表5中。

表5　钢骨混凝土梁最大利用率

5　结论

（1）设置阻尼墙能提高结构的阻尼比，消耗输入主体结构的地震作用，相应减小了结构的层间地震剪力及层间位移角。

（2）设置阻尼墙后，结构在罕遇地震下抗震性能明显得到提高。与软钢阻尼墙相连接的钢骨混凝土梁在罕遇震作用下能够保持抗弯、抗剪弹性，具有良好的强度和变形储备。

（3）通过提高阻尼比系数，SATWE软件可进行简化的减震结构设计。通过合理布置阻尼墙，阻尼比取12%是安全可靠的。

参考文献：

[1] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]南京工业大学工程抗震研究中心.宿迁市公共卫生服务中心主楼抗震专项审查报告[R].南京，2014.

[3]周云，刘季.耗能减震技术研究与应用进展[J].世界地震工程，1995（l）.

[4]刘季，周云.结构抗震控制的研究与应用状况：上[J].哈尔滨建筑大学学报，1995，28（4）.

[5] Hoasner·G·W，Begrlnan L Aetal.Structural Contor：Past，Present，and Future [J].Janral of Engineerig Mechanics，1997，123（9）.

[6]周云，周福霖.耗能减震体系的能里设计方法[J].世界地震工程，1997，13（4）.

责任编辑：孙苏，李红

信息快读

作者简介：许楚平（1964－），男，江苏南京人，本科，高级工程师，主要从事建筑结构设计工作。

收稿日期：2015-10-29

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.02.022

中图分类号：TU222

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）02-0022-05