Energy Dissipation Design for Public Health Service Center in Suqian

許楚平，吳見豐，周曉春（江蘇省建筑設計研究院有限公司，南京　210019）

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宿遷市公共衛(wèi)生服務中心消能減震設計

Energy Dissipation Design for Public Health Service Center in Suqian

許楚平，吳見豐，周曉春
（江蘇省建筑設計研究院有限公司，南京210019）

摘要：該文詳細分析了宿遷市公共衛(wèi)生服務中心消能減震設計的全過程。首先進行了結構減震必要性的分析，其次采用ETABS程序對減震結構進行多遇地震作用下時程分析，對結構整體抗震性能進行評價。最后作出罕遇地震作用下關鍵構件的性能評估。分析結果表明：減震結構具有良好的抗震性能，罕遇地震作用下，關鍵構件性能表現(xiàn)良好。

關鍵詞：消能減震；多遇地震；罕遇地震；性能評估

吳見豐（1985－），男，福建寧德人，研究生，工程師，主要從事建筑結構設計工作。

周曉春（1982－），女，江蘇南通人，本科，工程師，主要從事建筑結構設計工作。

Abstract：A detailed analysis on the whole energy dissipation design procedure for Public Health Service Center in Suqianis presented. Started with analysis on the necessity of energy dissipation design, the ETABS program is then adopted to perform the time history analysis under the frequent earthquake level to evaluate the seismic performance of the whole structure．Finally the performance of the critical components is evaluated under rare earthquake level．The analysis shows that the earthquake-resistant structure has good seismic performance and its key components behave well under rare earthquake level.

Keywords：energy dissipation；frequent earthquake；rare earthquake；performance evaluation

1　工程簡介

江蘇省宿遷市公共衛(wèi)生服務中心主樓為地上十三層及地下一層，地上一層層高5.4m，二至四層層高4.2m，五至十二層層高3.9m，十三層層高5.4m，主體結構地上高度為54.9 m。該工程主體結構擬采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。宿遷市位于地震高烈度區(qū)，《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010[1]將其劃為8度區(qū)，地震基本加速度為0.30g。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2010第3.3.1規(guī)定，該工程主樓房屋高度54.9m不超過框架-剪力墻結構體系的A級最大高度（80m）；參考《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010表6.1.1規(guī)定，亦不超過框架-剪力墻結構體系的最大高度（80m）。綜上所述，按現(xiàn)行規(guī)范工程屬一般高層建筑工程。

通過初步設計分析表明，由于結構層間地震剪力較大，使得層間位移不易滿足規(guī)范要求，且大部分構件超筋，采用常規(guī)方法設計該建筑已不能滿足規(guī)范要求。若采用在局部樓層配置軟鋼阻尼墻的方式（消能減震技術），給結構提供附加阻尼以消耗輸入主體結構的地震作用，相應減小了結構的層間地震剪力及層間位移角，可滿足規(guī)范設計要求，并可進一步提高結構的抗震性能。宿遷市公共衛(wèi)生服務中心抗震設計概況等詳見文獻[2]。

2　消能減震設計

2.1可行性及必要性研究

由于工程位于地震高烈度區(qū)（8度區(qū)、地震基本加速度為0.30g），按照傳統(tǒng)設計方案，層間位移較大，需要增設較多的抗震墻，才能滿足規(guī)范要求，且結構構件的截面及配筋量大大增加；這樣勢必影響了建筑本身的使用功能且經(jīng)濟性不佳。如采用消能減震技術可以解決上述問題。消能減震技術已在多國得到廣泛應用，不少國家已經(jīng)編制或正在制定有關的設計指南或設計規(guī)程[3-6]，根據(jù)國內外消能減震技術研究和工程實踐經(jīng)驗，在該工程中采用消能減震技術是可行且必要的。

2.2建立非減震結構計算模型

采用有限元軟件ETABS建立工程的減震結構和非減震結構的三維有限元模型，并進行結構的靜、動力計算分析，獲取結構在彈性和彈塑性階段真實的動力響應，為工程消能減震設計方案提供依據(jù)。

采用軟件ETABS建立工程非減震結構的有限元模型，如圖1所示。通過Ritz向量法計算出了結構的動力特性，非減震結構模型前3階振型如圖2所示。其計算結果可為減震設計方案提供重要信息，且可初步判斷模型的準確性。

圖1　非減震結構模型三維視圖及立面視圖

圖2　非減震結構模型前3階振型圖

采用軟件EATBS計算按規(guī)范規(guī)定的振型分解反應譜8度多遇地震下的地震反應，并與軟件SATWE計算結果進行比較，各樓層X向地震剪力和層間位移的計算結果對比如圖3所示。

圖3　樓層X向地震剪力和層間位移計算結果對比

通過對不同軟件模型的結構動力特性分析和設計反應譜分析顯示，ETABS模型和SATWE模型質量誤差率最大為2.0%，前6階自振周期誤差率最大為4.8%，結構層間剪力誤差率最大為3.27%。上述數(shù)據(jù)表明，軟件ETABS建立的計算模型可靠，該工程可以采用該模型進行結構時程分析。

3　消能減震時程分析

3.1設計地震波的判定

工程共采用了8條地震波（6條天然波+2條人工波）圖4進行了結構時程分析，時程分析法與振型反應譜法計算樓層地震剪力結果對比詳見圖5。時程分析所采用的地震波滿足《建筑抗震設計規(guī)范》5.1.2.3條要求。

圖4　 8度（0.30g）多遇地震波加速度時程

（a）非減震結構X向樓層地震剪力對比

圖5　時程分析法與振型反應譜法計算樓層地震剪力結果對比

3.2消能減震部件（軟鋼阻尼墻）的布置

設置消能減震部件（軟鋼阻尼墻）的主要目的是控制結構的層間位移，以達到抗震設防的要求，其抗震設防目標可高于未采用減震設計建筑的抗震設防目標。根據(jù)對非減震結構的分析，在抗震設防烈度為8度（地震基本加速度為0.30g）地震作用下，工程采用減震結構，抗震設防目標為層間位移角不大于1/800。

根據(jù)抗震設防目標布置阻尼墻，阻尼墻的平面布置應規(guī)則、對稱，盡量縮小質心與剛心距離，減少結構的扭轉效應，宜設置在層間變形較大的地方且形成合理的受力體系，并滿足建筑功能的使用要求。該工程阻尼墻數(shù)量和分布經(jīng)多輪結構時程分析及優(yōu)化，最終確定了軟鋼阻尼墻布置方案：X向共布置20片軟鋼阻尼墻，Y向共布置26片軟鋼阻尼墻，相當于給結構X向及Y向各附加7%的阻尼比。各層軟鋼阻尼墻數(shù)量見表1，各層軟鋼阻尼墻平面位置見圖6。

（a）9-11阻尼墻布置

表1　軟鋼阻尼墻分布數(shù)量

圖6　各層軟鋼阻尼墻平面位置

3.3軟鋼阻尼墻的單元選取與本構關系

在進行結構振動反應分析時，軟鋼阻尼墻的荷載—變形關系大都可仿照傳統(tǒng)鋼結構的雙線性滯回模型進行近似處理。因此該工程使用Wen滯回模型模擬軟鋼阻尼墻的基本阻尼特性，Wen滯回模型如圖7所示。在ETABS中選用NLINK單元模擬阻尼器，單元屬性參數(shù)按Wen滯回模型輸入。

圖7　 Wen滯回模型

其恢復力f可用式（1）表示：

其中K為彈性剛度，F(xiàn)dy為屈服強度，ratio為屈服后的第二剛度與屈服前的彈性剛度的比值，z為恢復力模型的內部參數(shù)，而且

屈服面上，|z|，z的初值為零，滿足：

exp為屈服指數(shù)，是大于1的數(shù)，當exp的值較大時，Wen滯回模型即為雙曲線模型。

3.4消能減震結構時程分析

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，將選用的8條地震波峰值調到多遇地震水準條件下進行非線性時程分析。圖8給出了8度多遇地震的作用下X及Y向減震結構樓層的地震剪力。圖9給出了8度多遇地震作用下X及Y向減震結構層間位移角。分析結果表明，工程采用的減震結構方案在8度多遇地震作用下，X及Y向的樓層層間位移角均不大于1/800，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》[5]的要求。

圖9　多遇地震作用下減震結構層間位移角

3.5結構總等效阻尼比的確定

該工程采用結構軟件ETABS對減震結構模型和非減震結構模型進行時程分析，分別計算了8條地震波作用下的層間地震剪力，減震系數(shù)=減震結構層間地震剪力/非減震結構層間地震剪力，最終取8條地震波減震系數(shù)的平均值作為軟件ETABS模型的實際減震系數(shù)。

采用結構軟件SATWE計算非減震結構模型，分別計算阻尼比取12%和5%的結構層間地震剪力。軟件SATWE模型折算減震系數(shù)=阻尼比為12%結構層間地震剪力/阻尼比為5%結構層間地震剪力。ETABS和SATWE模型減震系數(shù)對比見表2、表3。兩者對比顯示，該工程采用軟件SATWE計算分析非減震模型（阻尼比取12%）得到的各樓層地震剪力均大于采用軟件ETABS計算分析減震模型取得各樓層地震剪力。因此，工程采用軟件SATWE進行簡化減震結構設計時，可采用12%阻尼比（即結構總等效阻尼比）進行多遇地震作用下計算分析，且是安全可靠的。

表2　 X向ETABS和SATWE模型減震系數(shù)對比

表3　 Y向ETABS和SATWE模型減震系數(shù)對比

4　關鍵構件性能評估

4.1阻尼墻最大輸出阻尼力

《建筑抗震設計規(guī)范》第12.3.7規(guī)定：在消能器施加給主結構最大阻尼力作用下，消能器與主結構之間的連接部件應在彈性范圍內工作，與消能部件相連的結構構件設計時，應計入消能部件傳遞的附加內力。

表4給出了采用軟件EATBS分析計算的罕遇地震作用下減震結構中各層阻尼墻的最大輸出阻尼力。以此作為在罕遇地震作用下與阻尼墻相連的鋼骨混凝土梁的驗算荷載。

表4　罕遇地震作用下的最大輸出阻尼力

4.2阻尼墻最大位移

采用軟件EATBS分析計算減震模型在罕遇地震作用下彈塑性阻尼墻的X方向的最大位移為20.3mm，Y方向的最大位移為19.5mm，均不超過廠商提供的極限值。所以在罕遇地震作用下該工程建立的減震模型也滿足設計要求。

4.3與阻尼墻相連梁的性能評估

該工程與阻尼墻相連的構件采用鋼骨混凝土梁，根據(jù)相應的規(guī)范及規(guī)程，在罕遇地震作用下與阻尼墻相連的鋼骨混凝土梁應在彈性范圍內工作。

經(jīng)分析計算與阻尼墻相連的鋼骨混凝土梁均符合要求，其中剪力最大利用率與彎矩最大利用率的鋼骨混凝土梁分別列于表5中。

表5　鋼骨混凝土梁最大利用率

5　結論

（1）設置阻尼墻能提高結構的阻尼比，消耗輸入主體結構的地震作用，相應減小了結構的層間地震剪力及層間位移角。

（2）設置阻尼墻后，結構在罕遇地震下抗震性能明顯得到提高。與軟鋼阻尼墻相連接的鋼骨混凝土梁在罕遇震作用下能夠保持抗彎、抗剪彈性，具有良好的強度和變形儲備。

（3）通過提高阻尼比系數(shù)，SATWE軟件可進行簡化的減震結構設計。通過合理布置阻尼墻，阻尼比取12%是安全可靠的。

參考文獻：

[1] GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]南京工業(yè)大學工程抗震研究中心.宿遷市公共衛(wèi)生服務中心主樓抗震專項審查報告[R].南京，2014.

[3]周云，劉季.耗能減震技術研究與應用進展[J].世界地震工程，1995（l）.

[4]劉季，周云.結構抗震控制的研究與應用狀況：上[J].哈爾濱建筑大學學報，1995，28（4）.

[5] Hoasner·G·W，Begrlnan L Aetal.Structural Contor：Past，Present，and Future [J].Janral of Engineerig Mechanics，1997，123（9）.

[6]周云，周福霖.耗能減震體系的能里設計方法[J].世界地震工程，1997，13（4）.

責任編輯：孫蘇，李紅

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作者簡介：許楚平（1964－），男，江蘇南京人，本科，高級工程師，主要從事建筑結構設計工作。

收稿日期：2015-10-29

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.02.022

中圖分類號：TU222

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）02-0022-05