高層醫(yī)療建筑消能減震技術應用研究

孫銳 張佳琳 于東杰

1)中航天建設工程集團有限公司，北京 100070 2)中建科技集團有限公司，北京 100070

0 引言

對于醫(yī)療類建筑，由于活動群體在地震中的逃生能力較差，抗震設計中將其定義為重點設防類。除此之外，當?shù)卣鸢l(fā)生后，醫(yī)療類建筑是抗震救災的重要場地，如何提高其抗震能力，保證其在發(fā)生地震時實現(xiàn)“大震不倒”甚至“功能不中斷”，成為值得研究的關鍵問題。我國地震帶分布較廣，斷層地震帶附近區(qū)域的城市群若發(fā)生地震，相比于非斷層區(qū)域，其所造成損失要大很多，如2010年青海省玉樹7.1級地震發(fā)生于甘孜—玉樹斷裂帶，震中位于玉樹城區(qū)約44km處(張勇等，2010)。近斷層地震動包含了速度脈沖效應，相比遠場地震動，其對城市的損害程度要大很多。《建筑抗震設計規(guī)范》中通過放大地震力來評價近場地震動對建筑物抗震設計的影響(張冰，2007；中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部等，2016)。對于高烈度區(qū)醫(yī)療類建筑，當建筑物位于發(fā)震斷層兩側10km以內，在進行結構構件設計時，將抗震等級提高一級的同時，地震力仍要放大1.25～1.5倍。當層數(shù)較高時，剪力墻墻體較厚，當平面不規(guī)則時扭轉效應更加明顯，甚至在多遇地震工況下墻體底部即出現(xiàn)較大拉應力，連梁截面超筋現(xiàn)象嚴重。而僅通過增加構件截面尺寸的單一抗震手段往往難以達到理想效果，對建筑的使用功能影響較大，同時工程成本也相應增加(張孝榮等，2020)。

近些年，隨著消能減震技術的迅速發(fā)展，高烈度區(qū)高層建筑中減震器的使用也越來越多。作為一種新型抗震設計手段，其以一種典型的“主動以柔克剛”設計思路，代替了傳統(tǒng)結構中使用的“被動硬抗”。具體表現(xiàn)為，在主體結構變形較大區(qū)域設置消能器，當?shù)卣饋砼R時，消能器由于屈服點或耗能起始點較低，相比于主體結構率先進入屈服階段(閆新等，2021；裴星洙等，2013)。由于消能器延性要求較高，屈服后平臺段較長，故在地震工況下耗能效果較為明顯。消能器為結構增添了一道防線，保證了主體結構免遭破壞，提高了結構的安全性(王子龍，2020)。

隨著國內外學者對消能器產(chǎn)品的研究越來越深入，研發(fā)產(chǎn)品種類也越來越豐富。目前市場上應用較為成熟的消能器產(chǎn)品主要為金屬類耗能及高分子新材料耗能。金屬類耗能產(chǎn)品主要為屈曲約束支撐、金屬剪切型消能器等；高分子新材料產(chǎn)品主要為粘滯消能器、粘彈性消能器及摩擦消能等；從受力機理上分為位移型(F=Kx)和速度型(F=CVα)消能器(周云等，2019)。歷次地震經(jīng)驗表明，盡管按現(xiàn)行抗震設計規(guī)范設計施工的結構在遭遇設防標準的罕遇地震作用時基本不倒塌，但其震害現(xiàn)象與通過彈塑性分析得到的震害結果卻相差甚遠。相比位移型消能器，速度型消能器由于剛度較小，對于主體結構周期基本無影響，因此得到廣大設計人員的青睞。

自2014年開始，國家及省級建設部門相繼發(fā)布了一系列關于減隔震技術在房屋建筑工程中的應用指導性文件，特別是對于高烈度區(qū)的學校、醫(yī)院等重點設防類建筑，從國家政策引導及法律法規(guī)層面均明確指出需要優(yōu)先考慮采用隔震減震技術(付光磊等，2020)，進一步推動了減隔震技術的發(fā)展。代表性的工程有北京大興新機場航站樓項目、云南省保山市人民醫(yī)院及甘肅省婦女兒童醫(yī)療綜合體等，如圖1所示。

圖1 速度型消能器應用工程

粘滯消能器作為一種典型的速度型消能器，由缸體、活塞、阻尼通道、阻尼介質和活塞桿等部分組成，如圖2所示。消能器通過活塞桿的軸向拉壓，油缸內的阻尼介質通過活塞上的阻尼孔產(chǎn)生阻尼力，將運動的動能轉化為其他形式能量，從而減小結構構件因地震作用而產(chǎn)生的損傷，達到消能減震的目的(胡慶生，2019)。在地震作用下，粘滯消能器典型的荷載-位移曲線如圖3所示。工程中常用的布置方式為埋置于墻內的銷軸連接及人字形鋼支撐銷軸連接(圖4、圖5)。

圖2 粘滯消能器構造

圖3 荷載位移曲線

圖4 銷軸墻式

圖5 銷軸人字形

1 工程概況及常規(guī)結構方案問題

本項目位于云南省某醫(yī)院住院部，屬于重點設防類建筑，地上共計11層，地下1層，建筑結構高度46.2m，面積約26600m2。基本結構設計參數(shù)如下：八度(0.3g)設防，第二組，Ⅱ類場地，Tg=0.4s。根據(jù)項目的場地勘察報告，場地本身距離發(fā)震斷層小于10km，需要考慮近場增大系數(shù)1.25。結構初步方案比對后，對結構模型進行了試算，結果見表1，其中結構周期折減系數(shù)為0.8。建筑平面圖如圖6所示，盈建科(YJK)模型如圖7所示。

表1 方案比選

圖6 建筑平面圖

圖7 YJK模型

考慮地震近場增大系數(shù)為1.25，上部結構實際地震作用設防烈度為Ⅸ度。當采用傳統(tǒng)設計方法時，結構受力較大，較多墻體墻肢厚度為350～400mm。墻體對于建筑布置方案影響較大，建筑的使用功能受到影響，同時多遇地震下剪力墻及連梁出現(xiàn)多處抗剪截面不足；在墻體內設置型鋼時施工難度加大。當采用隔震方案時，角部柱下隔震墊拉應力超限，隔震支座大震下易出現(xiàn)橡膠拉脫或者傾覆，結構安全無法保證。

2 消能減震方案

由于建筑內部隔墻較多，支撐式金屬消能器對建筑的門窗洞口有影響，同時考慮消能器需提供較高附加阻尼比，本工程最終選用墻式連接粘滯消能器。由于粘滯消能器基本不提供靜剛度，優(yōu)先將消能器布置在結構平面變形較大部位。當發(fā)生層間變形時，消能器兩端變形越大，耗能效果越好。根據(jù)本工程的結構布置及建筑功能，消能器的布置參數(shù)見表2。根據(jù)規(guī)范的相關要求，標準層消能器布置如圖8所示，圖中紅色陰影即為消能器布置位置。

表2 消能器參數(shù)

圖8 消能器平面布置圖

采用大型有限元分析軟件SAP2000進行建模，模型如圖9所示。通過將SAP2000與YJK模型進行無消能器模型的模態(tài)及反應譜分析，將結構質量、周期及樓層剪力主要動力特性結果匯總，見表3。通過對比可知，兩個模型差異均小于5%，SAP2000模型可用于時程分析。

注：圖中紅色部分為減震器，非減震模型無此部分。

表3 SAP2000-YJK結果指標參數(shù)比較

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》5.1.2條的相關要求，當采用時程分析時需要進行地震波的選取(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部等，2016)。根據(jù)本項目場地條件，選取5條天然地震波及2條擬合人工波。5條天然波的名稱分別為：Big Bear-01＿NO＿907，Chi-Chi-Taiwan-04＿NO＿2697，Chi-Chi-Taiwan-04＿NO＿2717，Coyote Lake＿NO＿151，Chi-Chi-Taiwan-04＿NO＿2960，天然波基本信息及簡稱如表4所示。分析7條地震波的加速度反應譜與標準反應譜，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在特征周期下對應的反應譜插值分別為-3.70%、-1.05%及-8.31%，所有差值均小于20%，與統(tǒng)計意義相符(圖10)。

表4 地震波信息

注：圖例中R1、R2分別為人工波1及人工波2的時程簡稱。

各條地震波作用下結構的底部剪力與反應譜對比如表5所示。從表中可知，7條地震波時程分析所得的最大底部剪力均滿足反應譜計算結果的65%～135%，且平均值大于反應譜計算結果的80%，符合規(guī)范的相關規(guī)定，故可用于結構時程分析。

表5 各地震波與反應譜計算的基底剪力對比

利用SAP2000中連接單元Damper模擬粘滯消能器，模型中設置參數(shù)如圖11所示。分別對上述所選7條波進行多遇地震工況下的時程分析，結構層間地震剪力及位移角曲線如圖12～15所示。

圖11 消能器模型參數(shù)

注：由于結構嵌固段取在頂板，故曲線中基底剪力未表達地下室部分。

圖13 多遇地震工況下減震結構Y向層間剪力

圖14 多遇地震工況下減震結構X向層間位移角

圖15 多遇地震工況下減震結構Y向層間位移角

從圖中可以看出，所有波地震剪力及位移角平均值曲線均小于反應譜工況下對應的曲線數(shù)值，故結構設計可以選用反應譜值(反應譜附加阻尼比為3%，即結構阻尼比為8%)作為設計依據(jù)。

多遇地震工況下，將非減震結構和減震結構進行時程分析，將所有波的樓層剪力及層間位移角均值匯總，如表6所示。從表中可以看出，通過布置粘滯消能器，X及Y向最大層間位移角分別為 1/989 和1/1035，均滿足規(guī)范 1/800 的要求，且留有一定的余量。同時，通過減震前后的層間位移及樓層剪力的對比結果可知，結構在布置消能器后，樓層基底剪力X向與Y向分別減小了14%和15%；最大層間位移角減小了30%左右。表7給出了對應樓層的加速度對比數(shù)值，各樓層的峰值加速度減小近20%。由此可知，通過增設粘滯消能器，主體結構地震力得到削弱，結構的整體穩(wěn)定性有所提升，粘滯消能器有吸收地震能量的作用，達到減震的效果。

表6 多遇地震工況下減震與非減震結構地震時程分析剪力及位移角結果均值對比

表7 多遇地震工況下各層加速度結果均值對比

天然波1在X及Y向多遇地震工況下粘滯消能器滯回曲線如圖16、17所示，結構在小震作用下，粘滯消能器滯回耗能，滯回曲線飽滿，也進一步驗證了消能器分擔了一部分地震能量，從而保護了主體結構的安全。

圖16 X向粘滯消能器荷載-位移曲線

圖17 Y向消能消能器荷載-位移曲線

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》12.3.4條相關規(guī)定，在建筑結構體系中增設消能減震裝置后，結構的附加阻尼比計算可以參照以下公式進行

(1)

式中：ζa為結構的附加有效阻尼比，Wcj為第j個消能部件往復循環(huán)一周所消耗的能量，Ws為結構的總應變能(董蘇媛等，2017)。

通過式(1)進行小震下結構的附加阻尼比計算，如表8所示，X與Y向附加阻尼比分別為3.99%及3.79%，滿足YJK模型中附加阻尼比3.0%(即總阻尼比8.0%)的設計要求。

表8 結構附加阻尼比

對于減震結構，由于設置了消能器，受到的地震力減小，上部結構梁柱截面可以根據(jù)建筑要求進行調整，剪力墻厚度由非減震方案下的350mm減小至300mm；同時柱、梁截面分別由無減震方案下的750mm×750mm及400mm×900mm減小至600mm×700mm及400mm×750mm。構件截面得到優(yōu)化，滿足了建筑對于部分醫(yī)療用房的凈高使用要求。粘滯消能器布置于地上1～10層，共計140組?，F(xiàn)場實際安裝照片如圖18所示，從圖中可以看出，墻式連接粘滯消能器通過消能器兩側預埋件布置于建筑內部隔墻內，后期填筑輕質材料后，不會對建筑使用功能產(chǎn)生不利影響。

圖18 粘滯消能器現(xiàn)場安裝

3 消能減震方案的大震性能分析

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》5.5.2條規(guī)定：采用隔震和消能減震設計的結構，應進行彈塑性變形驗算。結合SAP2000軟件進行罕遇地震工況下的彈塑性時程分析，選用多遇地震工況下的7條地震波，加速度峰值根據(jù)規(guī)范調整為510cm/s2。分析模型假定如表9所示(何熹等，2017)。

表9 罕遇地震分析模型假定

圖19、20給出了罕遇地震下X與Y向層間位移角，通過查詢數(shù)據(jù)，X向最大為1/214，Y方向為1/230，相比于規(guī)范限值1/100，滿足規(guī)范要求且富余量較大，同時非減震結構與減震結構的層間位移角的比值為0.37(X向)和0.40(Y向)。在結構中增設消能器后，結構抗震性能得到明顯提高，更易實現(xiàn)“大震不倒”甚至“功能不中斷”的設計性能指標。

圖19 罕遇地震下X向層間位移角

圖20 罕遇地震下Y向層間位移角

除位移角指標外，還需要關注在罕遇地震下結構塑性鉸出現(xiàn)的位置及塑性鉸對應的屈服狀態(tài)，進而判斷結構所對應的損傷程度。通過塑性鉸極限轉角能力的大小，SAP2000將其分為B、IO、LS、CP、C、D及E共7種鉸狀態(tài)，其中B為出現(xiàn)塑性鉸，C為倒塌點，D為殘余強度，E為完全失效。而分析中一般出現(xiàn)較多的IO、LS及CP則分別對應塑性鉸擴展(立即使用)、生命安全及防止倒塌狀態(tài)。

圖21、圖22給出了減震結構在人工波1作用下的塑性鉸分布情況，從圖中可以看出，在結構中增設消能器后，大部分框架梁和較少部分框架柱出現(xiàn)了塑性鉸，梁端已經(jīng)開始形成屈服，結構形成梁端塑性鉸耗能。豎向構件基本處于彈性狀態(tài)，同時梁端塑性鉸也處于LS水平以下，開展程度較低，整體結構接近“大震可修甚至小修后仍可繼續(xù)使用”的設防目標。

圖21 人工波1下結構的塑性鉸分布(X向)

圖22 人工波1下結構的塑性鉸分布(Y向)

在彈塑性分析中，圖23、圖24給出了消能器的荷載-位移曲線。從分析結果可以看出，本項目選用的粘滯消能在地震作用下滯回曲線飽滿，耗能效果顯著，進一步說明了增設了粘滯消能器的結構在罕遇地震作用下表現(xiàn)出較好的減震能力。

圖23 罕遇地震工況下粘滯消能器荷載-位移曲線(R1X)

圖24 罕遇地震工況下粘滯消能器荷載-位移曲線(R1Y)

4 結論

本文以實際項目為例，通過在非減震結構中增設粘滯阻尼器，進而對減震結構及非減震結構在多遇和罕遇地震工況下的地震響應進行對比，得出如下結論：

(1)對于位于發(fā)震斷層附近的高烈度區(qū)醫(yī)療類建筑，考慮近場增大系數(shù)1.25后，主體結構所收到的地震作用接近Ⅸ度設防。傳統(tǒng)設計方法下結構構件尺寸較大，建筑使用功能及品質均受到影響；墻體內需設置型鋼，設計及施工難度加大。

(2)消能減震技術的應用能夠提高結構的整體抗震性能，為發(fā)震斷層附近高烈度區(qū)醫(yī)療類建筑提供了一種可行且有效的設計思路。

(3)多遇地震作用下，結構主體彈性，粘滯消能器在小震下開始耗能，能夠提供3%的附加阻尼比；X及Y向最大層間位移角分別為 1/989 和1/1035，均滿足規(guī)范 1/800 的要求，且留有一定的余量。

(4)多遇地震工況下行進時程分析，相比于非減震結構，增設消能器后樓層X與Y向基底剪力分別減小14%和15%；最大層間位移角減小30%左右。主體結構地震力得到削弱，結構的整體穩(wěn)定性有所提升，粘滯消能器有吸收地震能量的作用，達到減震的效果。

(5)在罕遇地震下，設置粘滯消能器的結構最大層間位移角分別為1/214(X向)和1/230(Y向)。豎向構件基本處于彈性狀態(tài)，同時梁端塑性鉸也處于LS水平以下，開展程度較低，整體結構接近“大震可修甚至小修后仍可繼續(xù)使用”的設防目標。