7度区某医院住院楼消能减震设计与分析

龙善新，仓 盛，2，叶小刚

1.浙江科振工程技术有限公司，浙江宁波 315221

2.宁波城市职业技术学院，浙江宁波 315199

3.宁波市城建设计研究院有限公司，浙江宁波 315012

1 工程概况

本工程为一栋混凝土框架结构的新建医院住院楼，地上6层（含局部出屋面的楼梯间、机房），无地下室，建筑高度为21.6 m（局部小屋面建筑高度为25.8 m）。本住院楼位于宁波市区，地震设防烈度为7 度（0.10 g），地震分组为第一组，根据地勘报告本项目为Ⅳ类场地，特征周期0.65 s。该建筑属于重点设防类（乙类建筑），框架抗震等级为二级，周期折减系数为0.70。建筑平面布置示意图见图1。

图1 标准层平面布置

消能减震技术一般是在主体结构位移较大或速度较大的部位设置阻尼器。利用消能器在一定水平地震作用下的耗能，达到减震的效果。本工程属于乙类建筑，采用消能减震设计可显著提高建筑物的抗震性能。

2 减震方案

2.1 减震技术的选用

消能器按特性分为速度相关型、位移相关型、兼有位移和速度特性的消能器。粘滞阻尼器是一种速度型阻尼器，是利用流体通过节流孔时产生粘滞阻力，进而耗散地震能量［1］。按《建设工程抗震管理条例》（中华人民共和国国务院令第744号）［2］第十六条地震重点监视防御区的新建学校、医院等八大类建筑应当采用减隔震技术。本项目位于宁波市区属于新建医院，基于经济效益及政策的考量故采用减隔震技术。隔震层设置受条件限制，经综合比选采用减震技术。减震器在选用时考虑不影响建筑使用功能，不附加刚度给主体结构且小震下即提供附加阻尼，故选用墙式粘滞阻尼器减震技术。粘滞阻尼器的性能规格见表1，粘滞阻尼器的连接大样见图2。

表1 粘滞阻尼器性能规格

图2 粘滞阻尼器连接大样

2.2 结构性能目标及减震目标

根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》［3］和《建筑消能减震技术规程（JGJ 297—2013）》［4］，本工程减震目标设定见表2。结构及消能部件的性能目标见表3。

表2 结构减震目标

表3 结构及消能部件的性能目标

考虑框架底部楼层层间位移角较大，粘滞阻尼器布置在住院楼的1～3层位移角较大位置，且尽量均匀、对称。为不影响建筑使用功能，粘滞阻尼器布置时结合了建筑隔墙的位置，故部分位置阻尼器不完全对称布置［5］。结合建筑平面布置和粘滞阻尼器的布设原则［6］等情况，本建筑布置了21个粘滞阻尼器。其中1～3层每层沿纵向布置3个，沿横向布置4个。横向布置间距约为20 m，纵向布置间距约为37 m。将每层粘滞阻尼器进行归类编号，个数及平面布置见图3。

图3 1～3层粘滞阻尼器平面布置

3 结构计算及主要结果

3.1 结构计算模型及参数

本工程为钢筋混凝土框架结构，根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》［3］《建筑消能减震技术规程（JGJ 297—2013）》［4］以及上海市地方标准《建筑消能减震及隔震技术标准（DG/TJ 08—2326—2020）》［7］中关于消能减震设计的计算分析要求，小震弹性采用YJK计算，计算参数中按弹性时程结果调整附加阻尼比。本工程粘滞阻尼器在小震下即参与协同工作，附加阻尼比采用SAP2000弹性时程分析计算结果确定。

小震弹性时程和大震弹塑性时程分析均使用SAP2000。在SAP2000 建模时，采用连接单元damper模拟悬臂墙型粘滞阻尼器，damper单元使用麦克斯韦模型，麦克斯韦模型由线性弹簧和阻尼器两部分串联组成。SAP2000整体模型见图4。

图4 SAP2000计算模型

3.2 模型可靠性验证

YJK 软件和SAP2000 软件小震下的反应谱分析对比计算结果见表4～6，2个软件计算结果差值不大于5%，说明用于减震分析的非减震SAP2000 模型与YJK 计算模型基本一致，可进一步用于减震分析。

表4 地震剪力对比

表5 周期对比（前三阶）

表6 层间位移角对比

3.3 地震波选择

本项目选取了5条实际地震波和2条人工波，7条地震波的信息见表7。时程反应谱与规范反应谱曲线对比结果见图5。满足《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》要求的“在统计意义上相符”。

表7 7条地震波的信息

图5 7条时程反应谱与规范反应谱对比

3.4 弹性时程分析结果

SAP2000 弹性时程分析时采用快速非线性分析（FNA）方法，即只考虑粘滞阻尼器的非线性，结构本身仍假设为线性。由于附加阻尼的有利影响，减震结构反应谱工况下的基底剪力比非减震结构的基底剪力有明显减少。小震下时程反应谱与规范反应谱层剪力对比见表8。

表8 7条地震波时程反应谱与规范反应谱层剪力对比

减震前小震下的最大位移角为1/554（2F），减震后小震下的最大位移角为1/727（2F），可见小震下粘滞阻尼器耗能减震效果明显。本工程粘滞阻尼器X01小震下的滞回耗能曲线见图6。

图6 小震下X01(T1-X)的滞回曲线

3.5 附加阻尼比的计算

根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》第12.3.4 条，附加阻尼比应按下式计算

式（1）中：ξa为附加有效阻尼比；

Wcj为第j个消能部件在结构预期层间位移Δuj下往复循环一周消耗的能量；

Ws为设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

根据SAP2000 弹性时程分析结果，粘滞阻尼器附加给结构的有效阻尼比按上述规范公式计算，计算结果见表9、表10。

表9 X向附加阻尼比计算

表10 Y向附加阻尼比计算

根据弹性时程分析结果可知此结构采用阻尼器后小震下即可实现阻尼器耗能，阻尼器提供了附加阻尼使结构水平地震力和楼层剪力减少。小震下全楼弹性，达到了减震目标及性能目标。

3.6 罕遇地震下弹塑性时程分析结果

本工程采用SAP2000 软件进行了减震结构的弹塑性时程分析。主体结构框架梁、柱（除粘滞阻尼器周围框架外）均定义了塑性铰，且YJK 模型的钢筋信息均导入SAP2000模型中。弹塑性时程分析采用程序提供的Hilber-Hughes-Taylor 逐步积分法，考虑材料非线性，不考虑结构的几何非线性。所选地震波为小震弹性时程分析时的7条地震波，对7条波分别作用于X、Y两个方向的14个工况进行结构的动力弹塑性分析。本项目对罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的层间位移角进行了对比，主要计算结果见表11。

表11 罕遇地震下减震结构与非减震结构的层间位移角比值

综上所述，本工程通过设置粘滞阻尼器以后，建筑抗震性能明显提高，减震结构层间位移角有所减小。

为了保证罕遇地震下乙类建筑的安全，使本项目耗能合理，允许结构在罕遇地震作用下部分构件出现塑性铰。本项目减震结构的结构损伤程度明显小于非减震结构。本项目罕遇地震作用下非减震结构第175步的出铰情况见图7。罕遇地震作用下减震结构第175步的出铰情况见图8。

图7 罕遇地震作用下非减震结构第175步结构出铰情况

图8 罕遇地震作用下减震结构第175步结构出铰情况

由图7及图8对比可知，使用阻尼器后结构损伤明显减轻。且结构先出现梁铰后逐步出现柱铰，结构耗能机制合理，减震效果较好，根据上述结果可知加阻尼器后本结构满足大震下减震目标。阻尼器周围框架及节点均按满足极限要求，以罕遇地震下构件的弹性内力进行配筋，材料强度采用极限值。

以图9 所示500 mm×1 000 mm 的梁截面为例，其大震下最大受力为一层顶①、②轴交B 轴处主梁，梁受力为V=891 kN，M=1 423 kN·m。

图9 一层顶①、②轴交B轴处子结构梁

按最大弯矩算得受拉钢筋满足抗规6.3.4条的规定。此梁跨高比大于2.5，经验算剪压比为0.131，满足《混凝土结构设计规范（GB 50010—2010）》第11.3.3 条要求，当箍筋为10@100 mm（4 肢）的情况下可满足《混凝土结构设计规范（GB 50010—2010）》第11.3.4条受剪承载力的要求。

子结构框架柱也在大震下提取受力结果，并完成截面配筋。经验算柱剪压比及轴压比均满足要求。

本项目大震下粘滞阻尼器X01的滞回曲线见图10。

图10 罕遇地震下X01(T1-X)的滞回曲线

3.7 经济技术指标对比

采用减震技术前后的主要经济指标见表12，两者相比，减震结构单方造价可优化成本约7.6%，有较好的经济效益。本项目有绿建三星和装配式建筑要求，根据《绿色建筑评价标准（GB/T 50378—2019）》第4.2.1条采用消能减震技术可得10分；根据《宁波市装配式建筑装配率与预制率计算细则（2018甬DX-15）》第4.2.7条，采用减隔震技术，预制率可得6分。综合以上两项得分对造价的有利因素，本项目采用减震技术后，单方造价约减少25元/m2。若不考虑绿建及装配式的有利影响，单方造价约增加10元/m2。

表12 减震技术前后的主要经济指标

4 结论

本文通过对7度区采用粘滞阻尼器减震的某医院住院楼进行消能减震效果分析，得出如下结论：

1）多遇地震作用下，粘滞阻尼器提供附加阻尼比平均值分别为X向3.93%，Y向3.39%，位移角有所减小，水平地震力减小约20%。粘滞阻尼器在小震下即起到良好的耗能效果，本项目采用减震技术后，综合单方造价约减少25元/m2，经济效益明显。

2）罕遇地震作用下，构件开始进入塑性，框架梁先出现塑性铰，而后柱子出现柱铰，结构总体满足“强柱弱梁”的要求。

3）罕遇地震作用下，减震结构与非减震结构的水平位移比为0.87，减震效果较明显。本项目采用减震器前大震下即满足位移角1/100的减震目标，故选择小吨位的粘滞阻尼器作为耗能构件，各粘滞阻尼器在大震下均塑性滞回耗能，发挥了良好的耗能能力，为结构提供了良好的安全储备。