龍善新，倉 盛，2，葉小剛

1.浙江科振工程技術(shù)有限公司，浙江寧波 315221

2.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315199

3.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江寧波 315012

1 工程概況

本工程為一棟混凝土框架結(jié)構(gòu)的新建醫(yī)院住院樓，地上6層（含局部出屋面的樓梯間、機(jī)房），無地下室，建筑高度為21.6 m（局部小屋面建筑高度為25.8 m）。本住院樓位于寧波市區(qū)，地震設(shè)防烈度為7 度（0.10 g），地震分組為第一組，根據(jù)地勘報(bào)告本項(xiàng)目為Ⅳ類場(chǎng)地，特征周期0.65 s。該建筑屬于重點(diǎn)設(shè)防類（乙類建筑），框架抗震等級(jí)為二級(jí)，周期折減系數(shù)為0.70。建筑平面布置示意圖見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

消能減震技術(shù)一般是在主體結(jié)構(gòu)位移較大或速度較大的部位設(shè)置阻尼器。利用消能器在一定水平地震作用下的耗能，達(dá)到減震的效果。本工程屬于乙類建筑，采用消能減震設(shè)計(jì)可顯著提高建筑物的抗震性能。

2 減震方案

2.1 減震技術(shù)的選用

消能器按特性分為速度相關(guān)型、位移相關(guān)型、兼有位移和速度特性的消能器。粘滯阻尼器是一種速度型阻尼器，是利用流體通過節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生粘滯阻力，進(jìn)而耗散地震能量［1］。按《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》（中華人民共和國國務(wù)院令第744號(hào)）［2］第十六條地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、醫(yī)院等八大類建筑應(yīng)當(dāng)采用減隔震技術(shù)。本項(xiàng)目位于寧波市區(qū)屬于新建醫(yī)院，基于經(jīng)濟(jì)效益及政策的考量故采用減隔震技術(shù)。隔震層設(shè)置受條件限制，經(jīng)綜合比選采用減震技術(shù)。減震器在選用時(shí)考慮不影響建筑使用功能，不附加剛度給主體結(jié)構(gòu)且小震下即提供附加阻尼，故選用墻式粘滯阻尼器減震技術(shù)。粘滯阻尼器的性能規(guī)格見表1，粘滯阻尼器的連接大樣見圖2。

表1 粘滯阻尼器性能規(guī)格

圖2 粘滯阻尼器連接大樣

2.2 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)及減震目標(biāo)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》［3］和《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程（JGJ 297—2013）》［4］，本工程減震目標(biāo)設(shè)定見表2。結(jié)構(gòu)及消能部件的性能目標(biāo)見表3。

表2 結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)

表3 結(jié)構(gòu)及消能部件的性能目標(biāo)

考慮框架底部樓層層間位移角較大，粘滯阻尼器布置在住院樓的1～3層位移角較大位置，且盡量均勻、對(duì)稱。為不影響建筑使用功能，粘滯阻尼器布置時(shí)結(jié)合了建筑隔墻的位置，故部分位置阻尼器不完全對(duì)稱布置［5］。結(jié)合建筑平面布置和粘滯阻尼器的布設(shè)原則［6］等情況，本建筑布置了21個(gè)粘滯阻尼器。其中1～3層每層沿縱向布置3個(gè)，沿橫向布置4個(gè)。橫向布置間距約為20 m，縱向布置間距約為37 m。將每層粘滯阻尼器進(jìn)行歸類編號(hào)，個(gè)數(shù)及平面布置見圖3。

圖3 1～3層粘滯阻尼器平面布置

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算及主要結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及參數(shù)

本工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》［3］《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程（JGJ 297—2013）》［4］以及上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑消能減震及隔震技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（DG/TJ 08—2326—2020）》［7］中關(guān)于消能減震設(shè)計(jì)的計(jì)算分析要求，小震彈性采用YJK計(jì)算，計(jì)算參數(shù)中按彈性時(shí)程結(jié)果調(diào)整附加阻尼比。本工程粘滯阻尼器在小震下即參與協(xié)同工作，附加阻尼比采用SAP2000彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果確定。

小震彈性時(shí)程和大震彈塑性時(shí)程分析均使用SAP2000。在SAP2000 建模時(shí)，采用連接單元damper模擬懸臂墻型粘滯阻尼器，damper單元使用麥克斯韋模型，麥克斯韋模型由線性彈簧和阻尼器兩部分串聯(lián)組成。SAP2000整體模型見圖4。

圖4 SAP2000計(jì)算模型

3.2 模型可靠性驗(yàn)證

YJK 軟件和SAP2000 軟件小震下的反應(yīng)譜分析對(duì)比計(jì)算結(jié)果見表4～6，2個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果差值不大于5%，說明用于減震分析的非減震SAP2000 模型與YJK 計(jì)算模型基本一致，可進(jìn)一步用于減震分析。

表4 地震剪力對(duì)比

表5 周期對(duì)比（前三階）

表6 層間位移角對(duì)比

3.3 地震波選擇

本項(xiàng)目選取了5條實(shí)際地震波和2條人工波，7條地震波的信息見表7。時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對(duì)比結(jié)果見圖5。滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》要求的“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”。

表7 7條地震波的信息

圖5 7條時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比

3.4 彈性時(shí)程分析結(jié)果

SAP2000 彈性時(shí)程分析時(shí)采用快速非線性分析（FNA）方法，即只考慮粘滯阻尼器的非線性，結(jié)構(gòu)本身仍假設(shè)為線性。由于附加阻尼的有利影響，減震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜工況下的基底剪力比非減震結(jié)構(gòu)的基底剪力有明顯減少。小震下時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜層剪力對(duì)比見表8。

表8 7條地震波時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜層剪力對(duì)比

減震前小震下的最大位移角為1/554（2F），減震后小震下的最大位移角為1/727（2F），可見小震下粘滯阻尼器耗能減震效果明顯。本工程粘滯阻尼器X01小震下的滯回耗能曲線見圖6。

圖6 小震下X01(T1-X)的滯回曲線

3.5 附加阻尼比的計(jì)算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》第12.3.4 條，附加阻尼比應(yīng)按下式計(jì)算

式（1）中：ξa為附加有效阻尼比；

Wcj為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Δuj下往復(fù)循環(huán)一周消耗的能量；

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。

根據(jù)SAP2000 彈性時(shí)程分析結(jié)果，粘滯阻尼器附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比按上述規(guī)范公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表9、表10。

表9 X向附加阻尼比計(jì)算

表10 Y向附加阻尼比計(jì)算

根據(jù)彈性時(shí)程分析結(jié)果可知此結(jié)構(gòu)采用阻尼器后小震下即可實(shí)現(xiàn)阻尼器耗能，阻尼器提供了附加阻尼使結(jié)構(gòu)水平地震力和樓層剪力減少。小震下全樓彈性，達(dá)到了減震目標(biāo)及性能目標(biāo)。

3.6 罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

本工程采用SAP2000 軟件進(jìn)行了減震結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析。主體結(jié)構(gòu)框架梁、柱（除粘滯阻尼器周圍框架外）均定義了塑性鉸，且YJK 模型的鋼筋信息均導(dǎo)入SAP2000模型中。彈塑性時(shí)程分析采用程序提供的Hilber-Hughes-Taylor 逐步積分法，考慮材料非線性，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。所選地震波為小震彈性時(shí)程分析時(shí)的7條地震波，對(duì)7條波分別作用于X、Y兩個(gè)方向的14個(gè)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性分析。本項(xiàng)目對(duì)罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角進(jìn)行了對(duì)比，主要計(jì)算結(jié)果見表11。

表11 罕遇地震下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角比值

綜上所述，本工程通過設(shè)置粘滯阻尼器以后，建筑抗震性能明顯提高，減震結(jié)構(gòu)層間位移角有所減小。

為了保證罕遇地震下乙類建筑的安全，使本項(xiàng)目耗能合理，允許結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下部分構(gòu)件出現(xiàn)塑性鉸。本項(xiàng)目減震結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)損傷程度明顯小于非減震結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目罕遇地震作用下非減震結(jié)構(gòu)第175步的出鉸情況見圖7。罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)第175步的出鉸情況見圖8。

圖7 罕遇地震作用下非減震結(jié)構(gòu)第175步結(jié)構(gòu)出鉸情況

圖8 罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)第175步結(jié)構(gòu)出鉸情況

由圖7及圖8對(duì)比可知，使用阻尼器后結(jié)構(gòu)損傷明顯減輕。且結(jié)構(gòu)先出現(xiàn)梁鉸后逐步出現(xiàn)柱鉸，結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制合理，減震效果較好，根據(jù)上述結(jié)果可知加阻尼器后本結(jié)構(gòu)滿足大震下減震目標(biāo)。阻尼器周圍框架及節(jié)點(diǎn)均按滿足極限要求，以罕遇地震下構(gòu)件的彈性內(nèi)力進(jìn)行配筋，材料強(qiáng)度采用極限值。

以圖9 所示500 mm×1 000 mm 的梁截面為例，其大震下最大受力為一層頂①、②軸交B 軸處主梁，梁受力為V=891 kN，M=1 423 kN·m。

圖9 一層頂①、②軸交B軸處子結(jié)構(gòu)梁

按最大彎矩算得受拉鋼筋滿足抗規(guī)6.3.4條的規(guī)定。此梁跨高比大于2.5，經(jīng)驗(yàn)算剪壓比為0.131，滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010）》第11.3.3 條要求，當(dāng)箍筋為10@100 mm（4 肢）的情況下可滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010）》第11.3.4條受剪承載力的要求。

子結(jié)構(gòu)框架柱也在大震下提取受力結(jié)果，并完成截面配筋。經(jīng)驗(yàn)算柱剪壓比及軸壓比均滿足要求。

本項(xiàng)目大震下粘滯阻尼器X01的滯回曲線見圖10。

圖10 罕遇地震下X01(T1-X)的滯回曲線

3.7 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

采用減震技術(shù)前后的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表12，兩者相比，減震結(jié)構(gòu)單方造價(jià)可優(yōu)化成本約7.6%，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。本項(xiàng)目有綠建三星和裝配式建筑要求，根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50378—2019）》第4.2.1條采用消能減震技術(shù)可得10分；根據(jù)《寧波市裝配式建筑裝配率與預(yù)制率計(jì)算細(xì)則（2018甬DX-15）》第4.2.7條，采用減隔震技術(shù)，預(yù)制率可得6分。綜合以上兩項(xiàng)得分對(duì)造價(jià)的有利因素，本項(xiàng)目采用減震技術(shù)后，單方造價(jià)約減少25元/m2。若不考慮綠建及裝配式的有利影響，單方造價(jià)約增加10元/m2。

表12 減震技術(shù)前后的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)論

本文通過對(duì)7度區(qū)采用粘滯阻尼器減震的某醫(yī)院住院樓進(jìn)行消能減震效果分析，得出如下結(jié)論：

1）多遇地震作用下，粘滯阻尼器提供附加阻尼比平均值分別為X向3.93%，Y向3.39%，位移角有所減小，水平地震力減小約20%。粘滯阻尼器在小震下即起到良好的耗能效果，本項(xiàng)目采用減震技術(shù)后，綜合單方造價(jià)約減少25元/m2，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2）罕遇地震作用下，構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，框架梁先出現(xiàn)塑性鉸，而后柱子出現(xiàn)柱鉸，結(jié)構(gòu)總體滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。

3）罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比為0.87，減震效果較明顯。本項(xiàng)目采用減震器前大震下即滿足位移角1/100的減震目標(biāo)，故選擇小噸位的粘滯阻尼器作為耗能構(gòu)件，各粘滯阻尼器在大震下均塑性滯回耗能，發(fā)揮了良好的耗能能力，為結(jié)構(gòu)提供了良好的安全儲(chǔ)備。