保山市人民醫(yī)院高層住院樓消能減震分析與設(shè)計(jì)
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
湛華， 高勇
（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)，昆明650228）
[摘要] 對(duì)保山市人民醫(yī)院高層住院樓的隔震與減震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析比選，并介紹設(shè)置消能墻的減震設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明，在多遇地震下，結(jié)構(gòu)層間變形較小，消能器處于彈性工作階段，主要作用為給主體結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度；在設(shè)防地震及罕遇地震下，結(jié)構(gòu)層間變形較大，消能器先于主體結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服，從而進(jìn)入彈塑性工作階段，能利用軟鋼剪切變形耗散地震能量，從而降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
[關(guān)鍵詞] 消能減震設(shè)計(jì)；消能墻；動(dòng)力彈塑性分析
1 工程概況
保山市人民醫(yī)院高層住院樓地下2層，地上15層，總結(jié)構(gòu)高度為58. 8m，總建筑面積為61 40lm2，住院樓立面見(jiàn)圖1。上部結(jié)構(gòu)為框架·抗震墻結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地土類別Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0. 45s，建筑抗震設(shè)防分類為乙類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50223-2008)規(guī)定，本工程應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震措施，同時(shí)應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定結(jié)構(gòu)的地震作用。
2 消能減震設(shè)計(jì)與隔震設(shè)計(jì)方案比選
該工程屬乙類建筑，對(duì)抗震安全性和使用功能有較高要求，故需采用消能減震或隔震設(shè)計(jì)。首先采用隔震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，通過(guò)輸入1條人工波和2條實(shí)測(cè)地震波（Taft波、USA00297波）進(jìn)行彈性時(shí)程分析，得出隔震時(shí)各層層間剪力及各層傾覆力矩與非隔震時(shí)的最大比值為0. 373。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）第12.2.5條，確定考慮隔震后水平地震影響系數(shù)最大值amax．=rBamax／沙=0.074 6，綜合考慮取0.08。
因本工程建筑使用功能要求，結(jié)構(gòu)平面長(zhǎng)寬比為6. 78，且不能設(shè)置防震縫，已經(jīng)超過(guò)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( JGJ 3-2010)（簡(jiǎn)稱高規(guī)）第3.4.3條規(guī)定5.0的限值。另外，考慮隔震影響后，y向的最大層間位移與平均層間位移的比值為1. 52，遠(yuǎn)大于抗規(guī)要求的1.2的限值。若要滿足結(jié)構(gòu)位移比及周期比的要求，須增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度，將抗震墻盡可能向兩端布置。經(jīng)計(jì)算分析，兩端抗震墻需要的長(zhǎng)度較長(zhǎng)（最大長(zhǎng)度達(dá)到8. 58m），雖然滿足了位移比的要求，但剪力墻過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致其延性較差，不利于結(jié)構(gòu)抗震。
分析發(fā)現(xiàn)，抗震墻的底部出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，大大超過(guò)隔震橡膠支座所能承受的極限值( lMPa)，隔震橡膠支座基本無(wú)法布置。而消能減震設(shè)計(jì)則是在上部結(jié)構(gòu)設(shè)置消能墻，小震下僅提供側(cè)向剛度（不耗能）；大震下阻尼器進(jìn)入屈服耗能狀態(tài)，能大幅提高結(jié)構(gòu)抗震性能和抗倒塌性能，故本工程適宜選用消能減震設(shè)計(jì)方案。消能減震設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）消能墻可以結(jié)合建筑功能布置，不影響建筑使用；2）相比隔震技術(shù)在項(xiàng)目中更易于調(diào)整結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等不利情況；3）避免了因增加隔震層而導(dǎo)致的設(shè)備管線、電梯、樓梯等特殊處理的要求；4）目前大部分地區(qū)對(duì)于隔震層需要單獨(dú)計(jì)算建筑面積，為此采用減震相當(dāng)于增加了一層使用面積；5）易于維護(hù)，對(duì)于防火、防腐等具有明顯優(yōu)勢(shì)；6）平時(shí)無(wú)需特殊維護(hù)或保養(yǎng)，不承擔(dān)豎向荷載，即使特殊情況下遭到破壞不會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體安全。
3 消能減震設(shè)計(jì)
框架一抗震墻體系中，消能減震構(gòu)件可采用剪切型金屬阻尼器，通過(guò)混凝土抗剪墻與主體結(jié)構(gòu)連接形成延性消能墻（圖2），本工程采用的剪切型金屬耗能器，芯材采用Ql00軟鋼，屈服強(qiáng)度為(100±25) MPa，屈服承載力為500kN，屈服位移為1.5mm，極限變形能力為40mm，本工程阻尼器與梁、混凝土采用螺栓連接，此連接方式便于后期更換（如大震后更換），但不利之處在于施工時(shí)預(yù)埋套筒與鋼筋施工穿插較復(fù)雜。
對(duì)于與阻尼器直接相連的框架梁、框架柱和抗震墻，在前述3條地震波作用下，采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析分別提取消能子結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》( JGJ 297-2013)的規(guī)定，對(duì)重要構(gòu)件進(jìn)行了承載力的復(fù)核，各主要構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。地震作用效應(yīng)和其他荷載作用效應(yīng)均取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮各作用的分項(xiàng)系數(shù)、承載力抗震調(diào)整系數(shù)和內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度取極限值。驗(yàn)算結(jié)果表明，本工程的消能減震子結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范規(guī)定要求，可保證阻尼器在大震作用后能繼續(xù)工作。為更好地發(fā)揮消能減震構(gòu)件的作用，延性消能墻應(yīng)布置在結(jié)構(gòu)變形較大的部分，本工程每層X(jué)，y向分別布置10組和7組延性消能墻（圖3）。
4 計(jì)算分析
4.1小震下結(jié)構(gòu)分析
為保證計(jì)算分析的可靠性，本工程采用了PKPM和ETABS兩種計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析。用PKPM軟件分析時(shí)，在保證結(jié)構(gòu)整體剛度及動(dòng)力特性前提下，采用等效墻對(duì)消能墻進(jìn)行模擬，即用一片兩端與框架柱脫開(kāi)的混凝土墻體模擬消能墻的抗側(cè)剛度，通過(guò)對(duì)消能墻與混凝土墻體剛度等效來(lái)模擬消能墻在主體結(jié)構(gòu)中的剛度作用。用ETABS軟件分析時(shí)，將阻尼器單元定義成Wen塑性單元，即雙折線模型，得出消能墻非線性的力．變形關(guān)系，并參與整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。兩種軟件計(jì)算結(jié)果十分接近，最大層間位移角、底層剪力及剪重比輸出結(jié)果對(duì)比如表2所示。
4.2小震下計(jì)算結(jié)果分析
在小震下，設(shè)置消能墻與不設(shè)置消能墻的各項(xiàng)指標(biāo)較為接近，說(shuō)明設(shè)置消能墻僅能起到提供剛度的作用，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
4.3大震下動(dòng)力彈塑性分析
大震下，選取前文所述的3條地震波作為動(dòng)力彈塑性分析的輸入，其中主次方向（X，Y向依次作為主次方向）輸入峰值加速度比為1：0. 85，根據(jù)高規(guī)，主方向波峰值加速度取400gal，結(jié)構(gòu)最大層間位移角見(jiàn)表4。
圖4給出了X，Y向地震波輸入下各層結(jié)構(gòu)的層剪力及傾覆力矩的分布，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力均能滿足抗規(guī)要求。表5給出了結(jié)構(gòu)基底剪力峰值及其剪重比統(tǒng)計(jì)結(jié)果，各工況輸入下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)剪重比約為0. 18~0.42。經(jīng)計(jì)算分析，消能墻耗能占總地震輸入能量比例約為20%，大震時(shí)阻尼器明顯屈服，耗能性能顯著，可以給主體結(jié)構(gòu)提供附加阻尼。消能墻變形在結(jié)構(gòu)中下部較大，即在結(jié)構(gòu)層間變形大處消能墻的工作效率高，在結(jié)構(gòu)底層及頂層層間位移較小處消能墻屈服耗能變形的程度較輕。大震下消能墻最大變形量為16. 88mm，小于消能墻最大變形能力( 40mm)。
4.4大震下計(jì)算結(jié)果分析
在大震作用下，為對(duì)比設(shè)置消能墻在結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的作用，將不設(shè)置與設(shè)置消能墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表6），可以看出，不設(shè)置消能墻的結(jié)構(gòu)已不能滿足抗規(guī)對(duì)大震下結(jié)構(gòu)的變形要求。
4.5消能減震設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性分析
通過(guò)設(shè)置消能墻使結(jié)構(gòu)滿足了抗規(guī)中關(guān)于小震及大震的驗(yàn)算要求，墻式剪切型金屬抗震阻尼器共計(jì)255組，費(fèi)用約為80元/m2（含產(chǎn)品、連接節(jié)點(diǎn)、埋件、安裝及檢測(cè)費(fèi)用）。為分析該方法的經(jīng)濟(jì)性，采用增大構(gòu)件截面法與之進(jìn)行對(duì)比分析。表7給出了兩種方法的最大構(gòu)件截面尺寸對(duì)比情況。
5 結(jié)語(yǔ)
結(jié)合保山市人民醫(yī)院高層住院樓工程，將隔震設(shè)計(jì)方案與減震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比選，分析得出用減震設(shè)計(jì)能較好地解決高層結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比超限所引起的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。并介紹了采用消能墻減震技術(shù)來(lái)解決小震及大震下高層框架·抗震墻結(jié)構(gòu)驗(yàn)算難以滿足規(guī)范要求的問(wèn)題。結(jié)果表明，消能墻在框架一抗震墻結(jié)構(gòu)中可以有效地在小震下為結(jié)構(gòu)提供剛度，在大震下消耗地震能量，且具有較好的經(jīng)濟(jì)性，施工技術(shù)成熟，可供類似工程參考。
