菏澤市牡丹人民醫(yī)院門診婦兒樓消能減震分析與設(shè)計(jì)

萬墨罕，丁新海，溫良劍，井彥青，姜永光，李 娜，孫紹東，劉 超

(1 青島騰遠(yuǎn)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司， 青島 266100；2 上海藍(lán)科建筑減震科技股份有限公司， 上海 201106)

1 工程概況

菏澤市牡丹人民醫(yī)院擴(kuò)建工程位于山東省菏澤市牡丹區(qū)，規(guī)劃用地面積約12萬m2。項(xiàng)目分病房樓、門診婦兒樓(簡稱門診樓)、康養(yǎng)樓、停車樓等，本文探討門診樓。門診樓建筑面積約8.9萬m2，地下1層，地上22層，裙樓5層，主樓建筑高度為99m，裙樓建筑高度23.5m。

門診樓主體平面為方形，地上1～5層裙房及主樓建筑物邊長約112m×67.4m，6～22層主樓建筑物邊長約72.8m×26.9m。結(jié)構(gòu)地下不設(shè)縫，地上通過1道X向防震縫分為2個(gè)相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，設(shè)縫后主樓東西各帶2跨裙樓，南北不帶裙樓。2層平面示意圖見圖1，建筑效果圖見圖2。

圖1 2層平面示意圖

圖2 建筑效果圖

地下室主要用于車庫和設(shè)備用房，層高為5.9m，；1～7層為門診、手術(shù)及檢驗(yàn)試驗(yàn)中心，8～22層為病房護(hù)理，其中1層層高為5.4m，2～5層層高為4.5m，8～22層層高為3.9m。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，根據(jù)《山東省防震減災(zāi)條例》(2010)、《山東省建設(shè)工程抗震設(shè)防條例》(魯人?！?017〕213號(hào))的相關(guān)規(guī)定，本工程提高一檔確定抗震設(shè)防要求，設(shè)計(jì)采用的設(shè)防烈度為8度，地震加速度為0.20g。場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.55s，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16。

門診樓主樓結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架和剪力墻的抗震等級(jí)、抗震構(gòu)造的抗震等級(jí)均為一級(jí)。門診樓裙樓結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其抗震等級(jí)及抗震構(gòu)造的抗震等級(jí)均為二級(jí)。根據(jù)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見(暫行)》(建質(zhì)〔2014〕25號(hào))[1]及《山東省住建廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知》(魯建設(shè)函〔2015〕12號(hào))的要求，門診樓宜采用減隔震技術(shù)。

隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)均能有效減輕建筑結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害。因隔震方案需要單獨(dú)設(shè)置隔震層，并需要與相鄰單元設(shè)置較寬隔離縫，因此采用消能減震更符合本項(xiàng)目的具體情況，也具備可行性[2]。

2 減震方案選擇

2.1 減震目標(biāo)

本工程采用YJK S2.0.1軟件進(jìn)行無消能器、阻尼器模型的計(jì)算，如果完全由結(jié)構(gòu)自身抵抗地震作用，將導(dǎo)致構(gòu)件截面大(即使考慮型鋼混凝土梁、柱+鋼板剪力墻)、整體剛度大，工程造價(jià)大幅度提高，同時(shí)建筑使用功能要求無法得到充分滿足，罕遇地震中結(jié)構(gòu)安全性也難以保證。擬通過合理設(shè)置阻尼器，在地震作用下提供附加阻尼，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

本工程屬于較為重要的公共建筑，經(jīng)過與業(yè)主協(xié)商，結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)及性能目標(biāo)見表1、表2。

結(jié)構(gòu)減震目標(biāo) 表1

結(jié)構(gòu)性能目標(biāo) 表2

2.2 減震方案的提出

常用有速度相關(guān)型和位移相關(guān)型兩種阻尼器器。速度相關(guān)型阻尼器器有黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器等；位移相關(guān)型阻尼器器有屈曲約束支撐、金屬阻尼器和摩擦阻尼器等。

本工程平面有兩個(gè)剛度較大的鋼筋混凝土核心筒，同時(shí)受建筑空間功能限制，很難有整跨用于設(shè)置大噸位屈曲約束支撐，采用位移相關(guān)型阻尼器提供的剛度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。阻尼器作為一種消能裝置，在消能的過程中必然會(huì)有溫度升高或降低的情形，而隨著溫度升高，黏彈性材料的剪切儲(chǔ)存模量、剪切損耗模量和損耗因子將減小，耗能能力有所降低，因此黏彈性阻尼器的減震效果對(duì)于本工程而言較難保證。黏滯阻尼器在被動(dòng)裝置的消能系統(tǒng)中，是一種速度相關(guān)型的消能裝置，不會(huì)增加結(jié)構(gòu)剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)周期減小，且黏滯阻尼器能夠增加結(jié)構(gòu)阻尼比，有效減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)(位移、速度、加速度)，從原理上比較適合本工程[3]?？紤]到醫(yī)院的使用功能，上下隔墻很難對(duì)齊，而且很少有完整的整跨隔墻，所以擬采用墻式黏滯阻尼器(VFD)，VFD現(xiàn)場照片見圖3。

圖3 墻式黏滯阻尼器(VFD)現(xiàn)場照片

3 減震分析

3.1 模型準(zhǔn)確性校核

采用YJK進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜分析，采用ETABS進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜分析(補(bǔ)充復(fù)核)、多遇地震彈性時(shí)程分析、罕遇地震彈塑性時(shí)程分析。ETABS無阻尼器三維結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 ETABS無阻尼器三維結(jié)構(gòu)模型

為了校核所建立的結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)確性，分別對(duì)無阻尼器模型(簡稱無控模型)及采用黏滯阻尼器模型(簡稱有控模型)進(jìn)行多遇地震時(shí)程分析，考察減震前后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并與振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。將YJK和ETABS建立的無控模型計(jì)算得到質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的樓層剪力進(jìn)行對(duì)比，見表3、表4。表中差值為：(∣ETABS計(jì)算值-YJK計(jì)算值∣/YJK計(jì)算值)×100%。

結(jié)構(gòu)質(zhì)量及周期對(duì)比(前三階) 表3

樓層剪力對(duì)比(底部三層)/kN 表4

由表3，4可知，用于本工程減震分析計(jì)算的ETABS模型與YJK模型，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期和樓層剪力方面的差異很小，因此，兩模型基本上是一致的，從而保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 地震波的確定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[4](簡稱抗規(guī))第5.1.2條、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[5](簡稱高規(guī))第4.3.3條中的相關(guān)規(guī)定，本工程選取實(shí)際2條強(qiáng)震記錄和1條人工模擬加速度時(shí)程曲線。地震波信息見表5，反應(yīng)譜與選取3條波計(jì)算的基底剪力對(duì)比見表6，時(shí)程譜與規(guī)范譜曲線見圖5。

地震波信息 表5

基底剪力對(duì)比 表6

由表6可見，單條地震波作用下基底剪力不小于反應(yīng)譜分析結(jié)果的65%，3條地震波作用下的基底剪力平均值不小于反應(yīng)譜分析結(jié)果的80%，滿足抗規(guī)要求。如圖5所示，對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型周期點(diǎn)上，3條地震波的地震影響系數(shù)與規(guī)范譜相符。圖5中，T1，T2，T3下方第一行數(shù)值為時(shí)程譜分析的前3階周期，再向下依次為時(shí)程平均、R1波、T1波、T2波與規(guī)范譜分析結(jié)果比較的增減比值。

從地震波影響系數(shù)曲線和基底剪力來看，所選擇的地震波是合理的。

圖5 規(guī)范譜與時(shí)程譜對(duì)比

3.3 多遇地震分析結(jié)果

建筑物周邊除能布置剪力墻的位置外，不具備布置阻尼器的條件。在滿足建筑使用條件的前提下，考慮結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件分布，特別是剪力墻及核心筒的位置，按照均勻、分散、對(duì)稱、上下盡量對(duì)齊的原則，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層阻尼器平面布置圖見圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層阻尼器平面布置圖

采用ETABS軟件分別對(duì)無控及有控模型進(jìn)行多遇地震彈性時(shí)程分析，考察減震前后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。ETABS模型中VFD采用Damper單元模擬，彈性時(shí)程分析采用快速非線性分析(FNA)方法，即只考慮阻尼器的非線性，結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性。振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算時(shí)，附加有效阻尼比按5%，即結(jié)構(gòu)總阻尼比為10%。多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力計(jì)算結(jié)果見表7，結(jié)構(gòu)最大層間位移角計(jì)算結(jié)果見表8。限于篇幅，這里僅給出X向樓層剪力和層間位移角沿樓層分布結(jié)果，見圖7、圖8。

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力計(jì)算結(jié)果 表7

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角計(jì)算結(jié)果 表8

由表7可知，多遇地震下彈性時(shí)程分析法結(jié)構(gòu)基底剪力的減震率包絡(luò)值分別為X向35.50%、Y向21.86%，而反應(yīng)譜法減震率僅12%左右。原因有二：其一，結(jié)構(gòu)自振周期為2.40s，特征周期Tg為0.55s，自振周期接近5Tg，對(duì)阻尼比變化不敏感；其二，時(shí)程法每條波附加阻尼比要大于5%，所以反應(yīng)譜法基底剪力遠(yuǎn)高于時(shí)程法計(jì)算結(jié)果。

由表8可知，多遇地震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角減震率包絡(luò)值分別為X向25.88%和Y向39.03%，時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果。

圖7 多遇地震下結(jié)構(gòu)X向樓層剪力對(duì)比

圖8 多遇地震下結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角對(duì)比

由圖7可知，多遇地震下減震結(jié)構(gòu)樓層剪力及層間位移角比非減震結(jié)構(gòu)有了明顯降低，結(jié)構(gòu)抗震性能得到明顯提升。

根據(jù)抗規(guī)第12.3.4條，消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按式(1)估算：

(1)

式中：ξa為消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；Wcj為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移uj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；WS為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。

不計(jì)扭轉(zhuǎn)影響時(shí)，消能減震結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的總應(yīng)變能可按式(2)估算：

(2)

式中：Fi為質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；ui為質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。

根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297—2013)[6]第6.3.2條第5款，非線性黏滯消能器在水平地震作用下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量Wcj可按式(3)計(jì)算：

Wcj=λ1FdjmaxΔuj

(3)

式中：λ1為阻尼指數(shù)的函數(shù)，本工程取值3.7；Fdjmax為第j個(gè)消能器在相應(yīng)水平地震作用下的最大阻尼力；Δuj為第j個(gè)消能器兩端的相對(duì)水平位移。

附加阻尼比計(jì)算結(jié)果見表9。由表9可知，X向和Y向最小的附加阻尼比分別為6.611%和5.358%，滿足多遇地震下附加阻尼比5%的性能目標(biāo)。

附加阻尼比/% 表9

從上述分析可以看出，采用VFD能夠很大程度改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，有效地降低結(jié)構(gòu)底部剪力和位移，滿足了預(yù)期的目標(biāo)。

3.4 罕遇地震分析結(jié)果

采用ETABS軟件對(duì)減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。彈塑性時(shí)程分析過程中，選擇彈性時(shí)程分析的3條地震波。無控模型彈性時(shí)程分析結(jié)果表明，所選的地震波滿足規(guī)范要求?？紤]雙向地震組合作用，分別以X向、Y向?yàn)橹鞣较蜻M(jìn)行分析，地震加速度時(shí)程最大值按規(guī)范取400cm/s2調(diào)幅，按1(主向)∶0.85(次向)的比例調(diào)整。

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角計(jì)算結(jié)果見表10及圖9。

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角計(jì)算結(jié)果 表10

圖9 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角

由表10及圖9可知，減震結(jié)構(gòu)罕遇地震下X向?qū)娱g位移角最大值為1/143，Y向?qū)娱g位移角最大值為1/131，滿足規(guī)范限值1/100的要求，小于預(yù)定目標(biāo)1/120，滿足要求。

由罕遇地震作用下阻尼器滯回曲線(圖10)可以看出，滯回曲線飽滿，阻尼器耗能效果良好，保證阻尼器在罕遇地震作用下發(fā)揮作用。

圖10 罕遇地震作用下黏滯阻尼器滯回曲線

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)X向能量圖見圖11。R1人工波工況下，X向阻尼器總耗能11 644.3kN·m(占總耗能的32.5%)，Y向阻尼器總耗能12 066.8kN·m(占總耗能的32.08%)；T1天然波工況下，X向阻尼器總耗能10 545.8kN·m(占總耗能的37.2%)，Y向阻尼器總耗能11 262.8kN·m(占總耗能的37.8%)；T2天然波工況下，X向阻尼器總耗能10 017.1kN·m(占總耗能的29.3%)，Y向阻尼器總耗能9 517.38kN·m(占總耗能的26.89%)。從圖11可以看出，在罕遇地震作用下黏滯阻尼器充分發(fā)揮了耗能作用，有效減小了主體結(jié)構(gòu)的損傷，體現(xiàn)了良好的耗能機(jī)制。

圖11 罕遇地震下結(jié)構(gòu)X向能量圖

減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下，大部分框架梁、柱墻出現(xiàn)輕度損壞或中度損壞，沒有梁、柱、墻出現(xiàn)重度損壞；結(jié)構(gòu)梁的塑性損傷重于柱、墻的塑性損傷，滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及性能目標(biāo)的要求。

墻式連接的黏滯阻尼器，在實(shí)際工作狀態(tài)下，上下連接的墻肢會(huì)有變形，上下墻肢采用殼單元按照真實(shí)情況模擬，分析中已考慮其實(shí)際的變形問題。

4 結(jié)論

(1)將非減震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行彈性時(shí)程計(jì)算，并與減震結(jié)構(gòu)的振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明，阻尼器在多遇地震作用下提供附加有效阻尼比為5.358%，采用消能減震技術(shù)效果明顯，可顯著降低地震響應(yīng)，減小樓層層間位移角及樓層剪力。

(2)彈塑性時(shí)程分析結(jié)果表明，減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角滿足規(guī)范要求，也滿足預(yù)期的減震目標(biāo)；阻尼器滯回曲線飽滿，在地震作用過程中可一直持續(xù)穩(wěn)定工作，切實(shí)起到消耗地震輸入能量的作用。

(3)在醫(yī)院類建筑中，對(duì)于高層鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)采用墻式黏滯阻尼器(VFD)，在滿足建筑使用功能的前提下，可有效降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。