菏泽市牡丹人民医院门诊妇儿楼消能减震分析与设计

万墨罕，丁新海，温良剑，井彦青，姜永光，李 娜，孙绍东，刘 超

(1 青岛腾远设计事务所有限公司， 青岛 266100；2 上海蓝科建筑减震科技股份有限公司， 上海 201106)

1 工程概况

菏泽市牡丹人民医院扩建工程位于山东省菏泽市牡丹区，规划用地面积约12万m2。项目分病房楼、门诊妇儿楼(简称门诊楼)、康养楼、停车楼等，本文探讨门诊楼。门诊楼建筑面积约8.9万m2，地下1层，地上22层，裙楼5层，主楼建筑高度为99m，裙楼建筑高度23.5m。

门诊楼主体平面为方形，地上1～5层裙房及主楼建筑物边长约112m×67.4m，6～22层主楼建筑物边长约72.8m×26.9m。结构地下不设缝，地上通过1道X向防震缝分为2个相互独立的结构，设缝后主楼东西各带2跨裙楼，南北不带裙楼。2层平面示意图见图1，建筑效果图见图2。

图1 2层平面示意图

图2 建筑效果图

地下室主要用于车库和设备用房，层高为5.9m，；1～7层为门诊、手术及检验试验中心，8～22层为病房护理，其中1层层高为5.4m，2～5层层高为4.5m，8～22层层高为3.9m。

本工程设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1，抗震设防类别为重点设防类。本地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，根据《山东省防震减灾条例》(2010)、《山东省建设工程抗震设防条例》(鲁人常〔2017〕213号)的相关规定，本工程提高一档确定抗震设防要求，设计采用的设防烈度为8度，地震加速度为0.20g。场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s，水平地震影响系数最大值为0.16。

门诊楼主楼结构形式采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，框架和剪力墙的抗震等级、抗震构造的抗震等级均为一级。门诊楼裙楼结构形式为钢筋混凝土框架结构，其抗震等级及抗震构造的抗震等级均为二级。根据《住房和城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见(暂行)》(建质〔2014〕25号)[1]及《山东省住建厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知》(鲁建设函〔2015〕12号)的要求，门诊楼宜采用减隔震技术。

隔震技术和消能减震技术均能有效减轻建筑结构的地震灾害。因隔震方案需要单独设置隔震层，并需要与相邻单元设置较宽隔离缝，因此采用消能减震更符合本项目的具体情况，也具备可行性[2]。

2 减震方案选择

2.1 减震目标

本工程采用YJK S2.0.1软件进行无消能器、阻尼器模型的计算，如果完全由结构自身抵抗地震作用，将导致构件截面大(即使考虑型钢混凝土梁、柱+钢板剪力墙)、整体刚度大，工程造价大幅度提高，同时建筑使用功能要求无法得到充分满足，罕遇地震中结构安全性也难以保证。拟通过合理设置阻尼器，在地震作用下提供附加阻尼，降低结构地震响应，提高结构的抗震性能。

本工程属于较为重要的公共建筑，经过与业主协商，结构减震目标及性能目标见表1、表2。

结构减震目标 表1

结构性能目标 表2

2.2 减震方案的提出

常用有速度相关型和位移相关型两种阻尼器器。速度相关型阻尼器器有黏滞阻尼器、黏弹性阻尼器等；位移相关型阻尼器器有屈曲约束支撑、金属阻尼器和摩擦阻尼器等。

本工程平面有两个刚度较大的钢筋混凝土核心筒，同时受建筑空间功能限制，很难有整跨用于设置大吨位屈曲约束支撑，采用位移相关型阻尼器提供的刚度很难达到设计要求。阻尼器作为一种消能装置，在消能的过程中必然会有温度升高或降低的情形，而随着温度升高，黏弹性材料的剪切储存模量、剪切损耗模量和损耗因子将减小，耗能能力有所降低，因此黏弹性阻尼器的减震效果对于本工程而言较难保证。黏滞阻尼器在被动装置的消能系统中，是一种速度相关型的消能装置，不会增加结构刚度而导致结构周期减小，且黏滞阻尼器能够增加结构阻尼比，有效减小结构响应(位移、速度、加速度)，从原理上比较适合本工程[3]。考虑到医院的使用功能，上下隔墙很难对齐，而且很少有完整的整跨隔墙，所以拟采用墙式黏滞阻尼器(VFD)，VFD现场照片见图3。

图3 墙式黏滞阻尼器(VFD)现场照片

3 减震分析

3.1 模型准确性校核

采用YJK进行振型分解反应谱分析，采用ETABS进行振型分解反应谱分析(补充复核)、多遇地震弹性时程分析、罕遇地震弹塑性时程分析。ETABS无阻尼器三维结构模型见图4。

图4 ETABS无阻尼器三维结构模型

为了校核所建立的结构模型准确性，分别对无阻尼器模型(简称无控模型)及采用黏滞阻尼器模型(简称有控模型)进行多遇地震时程分析，考察减震前后的结构响应，并与振型分解反应谱法的计算结果进行对比。将YJK和ETABS建立的无控模型计算得到质量、周期和振型分解反应谱法下的楼层剪力进行对比，见表3、表4。表中差值为：(∣ETABS计算值-YJK计算值∣/YJK计算值)×100%。

结构质量及周期对比(前三阶) 表3

楼层剪力对比(底部三层)/kN 表4

由表3，4可知，用于本工程减震分析计算的ETABS模型与YJK模型，在结构质量、周期和楼层剪力方面的差异很小，因此，两模型基本上是一致的，从而保证了分析结果的准确性。

3.2 地震波的确定

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[4](简称抗规)第5.1.2条、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[5](简称高规)第4.3.3条中的相关规定，本工程选取实际2条强震记录和1条人工模拟加速度时程曲线。地震波信息见表5，反应谱与选取3条波计算的基底剪力对比见表6，时程谱与规范谱曲线见图5。

地震波信息 表5

基底剪力对比 表6

由表6可见，单条地震波作用下基底剪力不小于反应谱分析结果的65%，3条地震波作用下的基底剪力平均值不小于反应谱分析结果的80%，满足抗规要求。如图5所示，对应于结构主要振型周期点上，3条地震波的地震影响系数与规范谱相符。图5中，T1，T2，T3下方第一行数值为时程谱分析的前3阶周期，再向下依次为时程平均、R1波、T1波、T2波与规范谱分析结果比较的增减比值。

从地震波影响系数曲线和基底剪力来看，所选择的地震波是合理的。

图5 规范谱与时程谱对比

3.3 多遇地震分析结果

建筑物周边除能布置剪力墙的位置外，不具备布置阻尼器的条件。在满足建筑使用条件的前提下，考虑结构竖向构件分布，特别是剪力墙及核心筒的位置，按照均匀、分散、对称、上下尽量对齐的原则，结构标准层阻尼器平面布置图见图6。

图6 结构标准层阻尼器平面布置图

采用ETABS软件分别对无控及有控模型进行多遇地震弹性时程分析，考察减震前后的结构响应。ETABS模型中VFD采用Damper单元模拟，弹性时程分析采用快速非线性分析(FNA)方法，即只考虑阻尼器的非线性，结构本身假设为线性。振型分解反应谱法计算时，附加有效阻尼比按5%，即结构总阻尼比为10%。多遇地震作用下结构基底剪力计算结果见表7，结构最大层间位移角计算结果见表8。限于篇幅，这里仅给出X向楼层剪力和层间位移角沿楼层分布结果，见图7、图8。

多遇地震作用下结构基底剪力计算结果 表7

多遇地震作用下结构最大层间位移角计算结果 表8

由表7可知，多遇地震下弹性时程分析法结构基底剪力的减震率包络值分别为X向35.50%、Y向21.86%，而反应谱法减震率仅12%左右。原因有二：其一，结构自振周期为2.40s，特征周期Tg为0.55s，自振周期接近5Tg，对阻尼比变化不敏感；其二，时程法每条波附加阻尼比要大于5%，所以反应谱法基底剪力远高于时程法计算结果。

由表8可知，多遇地震下结构最大层间位移角减震率包络值分别为X向25.88%和Y向39.03%，时程分析所得结构最大层间位移角均小于振型分解反应谱法计算结果。

图7 多遇地震下结构X向楼层剪力对比

图8 多遇地震下结构X向层间位移角对比

由图7可知，多遇地震下减震结构楼层剪力及层间位移角比非减震结构有了明显降低，结构抗震性能得到明显提升。

根据抗规第12.3.4条，消能部件附加给结构的有效阻尼比可按式(1)估算：

(1)

式中：ξa为消能减震结构的附加有效阻尼比；Wcj为第j个消能部件在结构预期层间位移uj下往复循环一周所消耗的能量；WS为设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

不计扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能可按式(2)估算：

(2)

式中：Fi为质点i的水平地震作用标准值；ui为质点i对应于水平地震作用标准值的位移。

根据《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013)[6]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Wcj可按式(3)计算：

Wcj=λ1FdjmaxΔuj

(3)

式中：λ1为阻尼指数的函数，本工程取值3.7；Fdjmax为第j个消能器在相应水平地震作用下的最大阻尼力；Δuj为第j个消能器两端的相对水平位移。

附加阻尼比计算结果见表9。由表9可知，X向和Y向最小的附加阻尼比分别为6.611%和5.358%，满足多遇地震下附加阻尼比5%的性能目标。

附加阻尼比/% 表9

从上述分析可以看出，采用VFD能够很大程度改善结构的抗震性能，有效地降低结构底部剪力和位移，满足了预期的目标。

3.4 罕遇地震分析结果

采用ETABS软件对减震结构进行弹塑性时程分析。弹塑性时程分析过程中，选择弹性时程分析的3条地震波。无控模型弹性时程分析结果表明，所选的地震波满足规范要求。考虑双向地震组合作用，分别以X向、Y向为主方向进行分析，地震加速度时程最大值按规范取400cm/s2调幅，按1(主向)∶0.85(次向)的比例调整。

罕遇地震作用下结构最大层间位移角计算结果见表10及图9。

罕遇地震作用下结构最大层间位移角计算结果 表10

图9 罕遇地震下结构层间位移角

由表10及图9可知，减震结构罕遇地震下X向层间位移角最大值为1/143，Y向层间位移角最大值为1/131，满足规范限值1/100的要求，小于预定目标1/120，满足要求。

由罕遇地震作用下阻尼器滞回曲线(图10)可以看出，滞回曲线饱满，阻尼器耗能效果良好，保证阻尼器在罕遇地震作用下发挥作用。

图10 罕遇地震作用下黏滞阻尼器滞回曲线

罕遇地震作用下结构X向能量图见图11。R1人工波工况下，X向阻尼器总耗能11 644.3kN·m(占总耗能的32.5%)，Y向阻尼器总耗能12 066.8kN·m(占总耗能的32.08%)；T1天然波工况下，X向阻尼器总耗能10 545.8kN·m(占总耗能的37.2%)，Y向阻尼器总耗能11 262.8kN·m(占总耗能的37.8%)；T2天然波工况下，X向阻尼器总耗能10 017.1kN·m(占总耗能的29.3%)，Y向阻尼器总耗能9 517.38kN·m(占总耗能的26.89%)。从图11可以看出，在罕遇地震作用下黏滞阻尼器充分发挥了耗能作用，有效减小了主体结构的损伤，体现了良好的耗能机制。

图11 罕遇地震下结构X向能量图

减震结构在罕遇地震下，大部分框架梁、柱墙出现轻度损坏或中度损坏，没有梁、柱、墙出现重度损坏；结构梁的塑性损伤重于柱、墙的塑性损伤，满足“强柱弱梁”的设计准则及性能目标的要求。

墙式连接的黏滞阻尼器，在实际工作状态下，上下连接的墙肢会有变形，上下墙肢采用壳单元按照真实情况模拟，分析中已考虑其实际的变形问题。

4 结论

(1)将非减震结构和减震结构分别进行弹性时程计算，并与减震结构的振型分解反应谱计算结果进行对比分析。计算结果表明，阻尼器在多遇地震作用下提供附加有效阻尼比为5.358%，采用消能减震技术效果明显，可显著降低地震响应，减小楼层层间位移角及楼层剪力。

(2)弹塑性时程分析结果表明，减震结构在罕遇地震作用下的层间位移角满足规范要求，也满足预期的减震目标；阻尼器滞回曲线饱满，在地震作用过程中可一直持续稳定工作，切实起到消耗地震输入能量的作用。

(3)在医院类建筑中，对于高层钢筋混凝土框剪结构采用墙式黏滞阻尼器(VFD)，在满足建筑使用功能的前提下，可有效降低结构的地震响应，提高结构的抗震性能。