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1、某医院住院楼消能减震分析及设计 令狐艳丽 山西省建筑设计研究院 摘 要： 在医院住院楼中采用带粘滞阻尼墙的消能减震钢筋混凝土框架结构, 在不影响建筑使用功能的前提下, 适量布置一些粘滞阻尼墙, 明确消能减震抗震性能目标, 分析消能器对整体结构的影响, 优化结构性能, 并分析因设置消能器而产生的局部构件加强的设计问题。结果表明各项技术指标均优于规范要求, 粘滞阻尼墙滞回曲线饱满、耗能明显, 从而降低结构地震作用响应, 提高了结构的安全储备。关键词： 消能减震; 粘滞阻尼墙; 性能化设计; 时程分析; 滞回曲线; 作者简介：令狐艳丽 (1983-) , 女, 工程师收稿日期：2017-09-13A
2、nalysis and design of energy dissipation and damping in a hospital buildingLinghu Yanli Shanxi Architectural Design and Research Institute; Abstract： By seismic energy dissipation of reinforced concrete frame structure with viscous damping wall in a hospital building, it can clear energy dissipation
3、 damping seismic performance objectives, analyze the effect of energy dissipation device on the whole structure, optimize the structure performance, and analyze the local artifacts due to the energy dissipation device strengthening design problem. The results show that the technical indicators are b
4、etter than the specification, and the hysteresis curve of viscous damping wall is full and the energy consumption is obvious, thus reducing the response of structural earthquake action and improving the security of the structure.Keyword： seismic energy dissipation; viscous damped wall; performance d
5、esign; time history analysis; hysteresis curve; Received： 2017-09-131 工程概况临汾市荣军康复医院位于临汾市尧都区, 总建筑面积为 30 200 m。住院楼地下1 层, 地上 6 层, 标准层层高 3.8 m, 结构总高度 23.95 m。平面尺寸约为 65 m20 m, 结构体系为带粘滞阻尼墙的消能减震钢筋混凝土框架结构。本工程建筑抗震设防烈度为 8 度, 结构设计使用年限为 50 年, 本工程建筑抗震设防分类为重点设防类 (乙类) , 设计基本地震加速度为 0.2g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为类。基本风压为 0.
6、4 k N/m, 地面粗糙度为 B 类。本项目的消能减震目标为多遇地震作用下阻尼器所提供 5%的等效附加阻尼比, 从而达到减小结构地震响应的效果。2 消能减震结构设计2.1 结构方案建设场地地形较为平坦, 建筑方案较为规整, 楼层较少, 设计采用钢筋混凝土框架结构, 该项目为乙类建筑, 对抗震安全和建筑使用功能有较高要求, 且根据山西省住房和城乡建设厅文件 (晋建质字2014115 号) 关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知, “抗震设防烈度 8 度区、地震重点危险区学校和幼儿园的新建教学用房、学生宿舍、食堂以及医院的新建医疗建筑, 必须采用减隔震技术”, 故采用消能减震的混凝土框架结构。
7、根据建筑使用功能要求, 采用类型为速度相关型的粘滞阻尼墙, 其占用建筑空间小、隐蔽性强、构造较为简单、布置位置灵活、易于维护等特点, 能解决因建筑功能复杂、难以合理布置消能器这一难题, 并且对建筑外观和建筑功能使用影响小。2.2 阻尼墙选型及布置在减震设计中, 根据建筑要求, 决定将消能器在 1 层5 层连续逐层缓变地安装在原结构上, 1 层5 层共安装 20 套粘滞阻尼墙, 粘滞阻尼墙规格和数量详见表1。表 1 附加粘滞阻尼墙的设计参数及布置 下载原表 阻尼墙设计布置应符合下列原则:1) 在同一水平楼层中, 阻尼墙应尽量均匀、分散、对称布置, 且每层中 X, Y向布置数量均不宜少于 2 套
8、(因阻尼墙属于速度相关型消能器, 本身不提供静刚度, 设置后对结构周期和阵型影响极小, 水平布置原则较为宽松) 。2) 在竖向楼层中, 阻尼墙应连续布置, 且阻尼墙配置在层间相对位移、相对速度较大的楼层及相邻的楼层。3) 初步确定阻尼墙位置和数量后, 使用 ETABS 软件将阻尼位置及其相关参数建立模型, 进行分析和对比, 确认设置消能器的结构和未设置的原结构相比较, 没有出现扭转、刚度不均匀不良因素后, 再进行下一步的分析。3 结构计算及分析3.1 结构模型及参数本项目采用 PKPM 和 ETABS 对消能框架结构进行了建模计算和结果对比分析, PKPM 用于建立基础模型和反应谱计算, ET
9、ABS 用于多遇地震结构的时程分析。结合 PKPM 模型信息, 建立框架结构的 ETABS 模型, 为验证两个不同软件的模型具有匹配性, 将 ETABS 和 PKPM 模型计算得到的质量、模态分析结果进行对比, 见表 2。表 2 框架结构模型质量、模态对比 下载原表 经过比较原结构 PKPM 模型与 ETABS 模型, 其结构质量、周期和地震剪力的差异在允许范围内, 由此 ETABS 模型可以作为本工程消能减震分析的有限元模型, 并且基本真实地反映结构的基本特性。3.2 地震波的选取选取地震波满足抗规规定, 在弹性时程分析时, 每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的 65%
10、, 多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80%。本工程在计算过程中实际选取了 1 条人工模拟加速度时程 (即 X, Y 方向依次作为主次方向) 和 2 条地震波, 其中主次方向输入峰值比为 10.85 (主方向次方向) , 3 条时程反应谱和规范反应谱曲线如图 1 所示。框架结构模型反应谱与时程工况的基底剪力对比见表 3。图 1 规范谱与反应谱对比图 下载原图表 3 框架结构模型反应谱与时程工况的基底剪力对比 下载原表 图 2 时程分析结果对比 下载原图3.3 本工程结构时程分析多遇地震下采用 ETABS 软件, 建立非线性连接单元模拟约束屈曲支撑及粘滞阻尼器
11、, 通过非线性动力弹塑性时程分析, 校核消能器在设防地震及罕遇地震下的工作状态, 在分析中分别采用 damper 单元模拟粘滞阻尼器。3.4 小震时程分析结果对结构 X 向, Y 向加载地震峰波值为 70 cm/s、有效持续时间均大于 20 s 的地震波后, 为方便比较, 我们将列出以下两种结构状态进行比较:结构 1 (ST0) 为不设阻尼器的混凝土框架结构;结构 2 (ST1) 为增设阻尼器后的消能混凝土框架结构。将相关结果摘录如下, 见图 2。4 消能器连接节点及部件设计为使消能器在结构中能充分发挥减震作用, 实现预期减震目标, 要保证提高消能器与主体连接的可靠性。连接节点和相连部件应保证
12、足够的强度, 不能先于消能器失效;消能器的连接还应具有良好的稳定性, 避免局部失稳产生破坏使结构消能器失效。消能器的连接部件应具有足够的刚度、强度和稳定性, 将结构变形高效的传递给消能器, 提高消能器的消能效率。在消能器的极限出力和极限位移的作用下, 与消能器连接的部件应处于弹性工作状态, 且相关部件的构造措施要求严格, 确保发挥消能器的最大作用。5 结语1) 在混凝土框架结构中, 采用粘滞阻尼墙作为消能器, 可以有效实现抗震设防目标, 为整体结构提供必要的安全储备。2) 采用粘滞阻尼墙减震方案后, 可为结构附加 5%的阻尼比, 使结构的总阻尼比达到 10%。3) 框架结构在多遇地震时, 时程
13、分析平均值在 X, Y 向的最大层位移角分别是 1/691, 1/646, 设置粘滞阻尼器的消能框架结构在 8 度 (0.2g) 多遇地震时 X, Y 向的最大层间位移角则分别降低到 1/956, 1/912。4) 在多遇地震作用下, 消能框架结构主体框架部分的 X, Y 向层剪力远小于原结构的层剪力, X, Y 向各楼层的最大均值剪力比分别为 0.69 和 0.71, 这表明本结构在附加减震措施 (粘滞阻尼墙) 设计后提高了结构的阻尼比, 其主体结构在抗震安全性方面有了很大的提高, 在今后的设计工程中, 消能减震设计是可行的、有用的。5) 从构件的损伤情况来看, 大震作用下粘滞阻尼器发挥作用, 耗散大量能量;部分梁屈服, 柱子基本上没有出现屈服;各阻尼器地震作用下都正常工作, 滞回曲线饱满。参考文献1郁银泉, 曾德民.建筑抗震设计鉴定加固M.日本国际协力机构 (JICA) , 2012:9-11. 2GB 500112010, 建筑抗震设计规范S. 3龚思礼.建筑抗震设计手册M.北京:中国建筑工业出版社, 2004:90-99.
