孫銳 張佳琳 于東杰

1)中航天建設(shè)工程集團(tuán)有限公司，北京 100070 2)中建科技集團(tuán)有限公司，北京 100070

0 引言

對于醫(yī)療類建筑，由于活動群體在地震中的逃生能力較差，抗震設(shè)計中將其定義為重點(diǎn)設(shè)防類。除此之外，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生后，醫(yī)療類建筑是抗震救災(zāi)的重要場地，如何提高其抗震能力，保證其在發(fā)生地震時實現(xiàn)“大震不倒”甚至“功能不中斷”，成為值得研究的關(guān)鍵問題。我國地震帶分布較廣，斷層地震帶附近區(qū)域的城市群若發(fā)生地震，相比于非斷層區(qū)域，其所造成損失要大很多，如2010年青海省玉樹7.1級地震發(fā)生于甘孜—玉樹斷裂帶，震中位于玉樹城區(qū)約44km處(張勇等，2010)。近斷層地震動包含了速度脈沖效應(yīng)，相比遠(yuǎn)場地震動，其對城市的損害程度要大很多?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》中通過放大地震力來評價近場地震動對建筑物抗震設(shè)計的影響(張冰，2007；中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2016)。對于高烈度區(qū)醫(yī)療類建筑，當(dāng)建筑物位于發(fā)震斷層兩側(cè)10km以內(nèi)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計時，將抗震等級提高一級的同時，地震力仍要放大1.25～1.5倍。當(dāng)層數(shù)較高時，剪力墻墻體較厚，當(dāng)平面不規(guī)則時扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯，甚至在多遇地震工況下墻體底部即出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，連梁截面超筋現(xiàn)象嚴(yán)重。而僅通過增加構(gòu)件截面尺寸的單一抗震手段往往難以達(dá)到理想效果，對建筑的使用功能影響較大，同時工程成本也相應(yīng)增加(張孝榮等，2020)。

近些年，隨著消能減震技術(shù)的迅速發(fā)展，高烈度區(qū)高層建筑中減震器的使用也越來越多。作為一種新型抗震設(shè)計手段，其以一種典型的“主動以柔克剛”設(shè)計思路，代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中使用的“被動硬抗”。具體表現(xiàn)為，在主體結(jié)構(gòu)變形較大區(qū)域設(shè)置消能器，當(dāng)?shù)卣饋砼R時，消能器由于屈服點(diǎn)或耗能起始點(diǎn)較低，相比于主體結(jié)構(gòu)率先進(jìn)入屈服階段(閆新等，2021；裴星洙等，2013)。由于消能器延性要求較高，屈服后平臺段較長，故在地震工況下耗能效果較為明顯。消能器為結(jié)構(gòu)增添了一道防線，保證了主體結(jié)構(gòu)免遭破壞，提高了結(jié)構(gòu)的安全性(王子龍，2020)。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對消能器產(chǎn)品的研究越來越深入，研發(fā)產(chǎn)品種類也越來越豐富。目前市場上應(yīng)用較為成熟的消能器產(chǎn)品主要為金屬類耗能及高分子新材料耗能。金屬類耗能產(chǎn)品主要為屈曲約束支撐、金屬剪切型消能器等；高分子新材料產(chǎn)品主要為粘滯消能器、粘彈性消能器及摩擦消能等；從受力機(jī)理上分為位移型(F=Kx)和速度型(F=CVα)消能器(周云等，2019)。歷次地震經(jīng)驗表明，盡管按現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范設(shè)計施工的結(jié)構(gòu)在遭遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的罕遇地震作用時基本不倒塌，但其震害現(xiàn)象與通過彈塑性分析得到的震害結(jié)果卻相差甚遠(yuǎn)。相比位移型消能器，速度型消能器由于剛度較小，對于主體結(jié)構(gòu)周期基本無影響，因此得到廣大設(shè)計人員的青睞。

自2014年開始，國家及省級建設(shè)部門相繼發(fā)布了一系列關(guān)于減隔震技術(shù)在房屋建筑工程中的應(yīng)用指導(dǎo)性文件，特別是對于高烈度區(qū)的學(xué)校、醫(yī)院等重點(diǎn)設(shè)防類建筑，從國家政策引導(dǎo)及法律法規(guī)層面均明確指出需要優(yōu)先考慮采用隔震減震技術(shù)(付光磊等，2020)，進(jìn)一步推動了減隔震技術(shù)的發(fā)展。代表性的工程有北京大興新機(jī)場航站樓項目、云南省保山市人民醫(yī)院及甘肅省婦女兒童醫(yī)療綜合體等，如圖1所示。

圖1 速度型消能器應(yīng)用工程

粘滯消能器作為一種典型的速度型消能器，由缸體、活塞、阻尼通道、阻尼介質(zhì)和活塞桿等部分組成，如圖2所示。消能器通過活塞桿的軸向拉壓，油缸內(nèi)的阻尼介質(zhì)通過活塞上的阻尼孔產(chǎn)生阻尼力，將運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)化為其他形式能量，從而減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件因地震作用而產(chǎn)生的損傷，達(dá)到消能減震的目的(胡慶生，2019)。在地震作用下，粘滯消能器典型的荷載-位移曲線如圖3所示。工程中常用的布置方式為埋置于墻內(nèi)的銷軸連接及人字形鋼支撐銷軸連接(圖4、圖5)。

圖2 粘滯消能器構(gòu)造

圖3 荷載位移曲線

圖4 銷軸墻式

圖5 銷軸人字形

1 工程概況及常規(guī)結(jié)構(gòu)方案問題

本項目位于云南省某醫(yī)院住院部，屬于重點(diǎn)設(shè)防類建筑，地上共計11層，地下1層，建筑結(jié)構(gòu)高度46.2m，面積約26600m2。基本結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如下：八度(0.3g)設(shè)防，第二組，Ⅱ類場地，Tg=0.4s。根據(jù)項目的場地勘察報告，場地本身距離發(fā)震斷層小于10km，需要考慮近場增大系數(shù)1.25。結(jié)構(gòu)初步方案比對后，對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了試算，結(jié)果見表1，其中結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)為0.8。建筑平面圖如圖6所示，盈建科(YJK)模型如圖7所示。

表1 方案比選

圖6 建筑平面圖

圖7 YJK模型

考慮地震近場增大系數(shù)為1.25，上部結(jié)構(gòu)實際地震作用設(shè)防烈度為Ⅸ度。當(dāng)采用傳統(tǒng)設(shè)計方法時，結(jié)構(gòu)受力較大，較多墻體墻肢厚度為350～400mm。墻體對于建筑布置方案影響較大，建筑的使用功能受到影響，同時多遇地震下剪力墻及連梁出現(xiàn)多處抗剪截面不足；在墻體內(nèi)設(shè)置型鋼時施工難度加大。當(dāng)采用隔震方案時，角部柱下隔震墊拉應(yīng)力超限，隔震支座大震下易出現(xiàn)橡膠拉脫或者傾覆，結(jié)構(gòu)安全無法保證。

2 消能減震方案

由于建筑內(nèi)部隔墻較多，支撐式金屬消能器對建筑的門窗洞口有影響，同時考慮消能器需提供較高附加阻尼比，本工程最終選用墻式連接粘滯消能器。由于粘滯消能器基本不提供靜剛度，優(yōu)先將消能器布置在結(jié)構(gòu)平面變形較大部位。當(dāng)發(fā)生層間變形時，消能器兩端變形越大，耗能效果越好。根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)布置及建筑功能，消能器的布置參數(shù)見表2。根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求，標(biāo)準(zhǔn)層消能器布置如圖8所示，圖中紅色陰影即為消能器布置位置。

表2 消能器參數(shù)

圖8 消能器平面布置圖

采用大型有限元分析軟件SAP2000進(jìn)行建模，模型如圖9所示。通過將SAP2000與YJK模型進(jìn)行無消能器模型的模態(tài)及反應(yīng)譜分析，將結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期及樓層剪力主要動力特性結(jié)果匯總，見表3。通過對比可知，兩個模型差異均小于5%，SAP2000模型可用于時程分析。

注：圖中紅色部分為減震器，非減震模型無此部分。

表3 SAP2000-YJK結(jié)果指標(biāo)參數(shù)比較

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.2條的相關(guān)要求，當(dāng)采用時程分析時需要進(jìn)行地震波的選取(中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2016)。根據(jù)本項目場地條件，選取5條天然地震波及2條擬合人工波。5條天然波的名稱分別為：Big Bear-01＿NO＿907，Chi-Chi-Taiwan-04＿NO＿2697，Chi-Chi-Taiwan-04＿NO＿2717，Coyote Lake＿NO＿151，Chi-Chi-Taiwan-04＿NO＿2960，天然波基本信息及簡稱如表4所示。分析7條地震波的加速度反應(yīng)譜與標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在特征周期下對應(yīng)的反應(yīng)譜插值分別為-3.70%、-1.05%及-8.31%，所有差值均小于20%，與統(tǒng)計意義相符(圖10)。

表4 地震波信息

注：圖例中R1、R2分別為人工波1及人工波2的時程簡稱。

各條地震波作用下結(jié)構(gòu)的底部剪力與反應(yīng)譜對比如表5所示。從表中可知，7條地震波時程分析所得的最大底部剪力均滿足反應(yīng)譜計算結(jié)果的65%～135%，且平均值大于反應(yīng)譜計算結(jié)果的80%，符合規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，故可用于結(jié)構(gòu)時程分析。

表5 各地震波與反應(yīng)譜計算的基底剪力對比

利用SAP2000中連接單元Damper模擬粘滯消能器，模型中設(shè)置參數(shù)如圖11所示。分別對上述所選7條波進(jìn)行多遇地震工況下的時程分析，結(jié)構(gòu)層間地震剪力及位移角曲線如圖12～15所示。

圖11 消能器模型參數(shù)

注：由于結(jié)構(gòu)嵌固段取在頂板，故曲線中基底剪力未表達(dá)地下室部分。

圖13 多遇地震工況下減震結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g剪力

圖14 多遇地震工況下減震結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角

圖15 多遇地震工況下減震結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角

從圖中可以看出，所有波地震剪力及位移角平均值曲線均小于反應(yīng)譜工況下對應(yīng)的曲線數(shù)值，故結(jié)構(gòu)設(shè)計可以選用反應(yīng)譜值(反應(yīng)譜附加阻尼比為3%，即結(jié)構(gòu)阻尼比為8%)作為設(shè)計依據(jù)。

多遇地震工況下，將非減震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析，將所有波的樓層剪力及層間位移角均值匯總，如表6所示。從表中可以看出，通過布置粘滯消能器，X及Y向最大層間位移角分別為 1/989 和1/1035，均滿足規(guī)范 1/800 的要求，且留有一定的余量。同時，通過減震前后的層間位移及樓層剪力的對比結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)在布置消能器后，樓層基底剪力X向與Y向分別減小了14%和15%；最大層間位移角減小了30%左右。表7給出了對應(yīng)樓層的加速度對比數(shù)值，各樓層的峰值加速度減小近20%。由此可知，通過增設(shè)粘滯消能器，主體結(jié)構(gòu)地震力得到削弱，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有所提升，粘滯消能器有吸收地震能量的作用，達(dá)到減震的效果。

表6 多遇地震工況下減震與非減震結(jié)構(gòu)地震時程分析剪力及位移角結(jié)果均值對比

表7 多遇地震工況下各層加速度結(jié)果均值對比

天然波1在X及Y向多遇地震工況下粘滯消能器滯回曲線如圖16、17所示，結(jié)構(gòu)在小震作用下，粘滯消能器滯回耗能，滯回曲線飽滿，也進(jìn)一步驗證了消能器分擔(dān)了一部分地震能量，從而保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)的安全。

圖16 X向粘滯消能器荷載-位移曲線

圖17 Y向消能消能器荷載-位移曲線

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》12.3.4條相關(guān)規(guī)定，在建筑結(jié)構(gòu)體系中增設(shè)消能減震裝置后，結(jié)構(gòu)的附加阻尼比計算可以參照以下公式進(jìn)行

(1)

式中：ζa為結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比，Wcj為第j個消能部件往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量，Ws為結(jié)構(gòu)的總應(yīng)變能(董蘇媛等，2017)。

通過式(1)進(jìn)行小震下結(jié)構(gòu)的附加阻尼比計算，如表8所示，X與Y向附加阻尼比分別為3.99%及3.79%，滿足YJK模型中附加阻尼比3.0%(即總阻尼比8.0%)的設(shè)計要求。

表8 結(jié)構(gòu)附加阻尼比

對于減震結(jié)構(gòu)，由于設(shè)置了消能器，受到的地震力減小，上部結(jié)構(gòu)梁柱截面可以根據(jù)建筑要求進(jìn)行調(diào)整，剪力墻厚度由非減震方案下的350mm減小至300mm；同時柱、梁截面分別由無減震方案下的750mm×750mm及400mm×900mm減小至600mm×700mm及400mm×750mm。構(gòu)件截面得到優(yōu)化，滿足了建筑對于部分醫(yī)療用房的凈高使用要求。粘滯消能器布置于地上1～10層，共計140組?，F(xiàn)場實際安裝照片如圖18所示，從圖中可以看出，墻式連接粘滯消能器通過消能器兩側(cè)預(yù)埋件布置于建筑內(nèi)部隔墻內(nèi)，后期填筑輕質(zhì)材料后，不會對建筑使用功能產(chǎn)生不利影響。

圖18 粘滯消能器現(xiàn)場安裝

3 消能減震方案的大震性能分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.5.2條規(guī)定：采用隔震和消能減震設(shè)計的結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗算。結(jié)合SAP2000軟件進(jìn)行罕遇地震工況下的彈塑性時程分析，選用多遇地震工況下的7條地震波，加速度峰值根據(jù)規(guī)范調(diào)整為510cm/s2。分析模型假定如表9所示(何熹等，2017)。

表9 罕遇地震分析模型假定

圖19、20給出了罕遇地震下X與Y向?qū)娱g位移角，通過查詢數(shù)據(jù)，X向最大為1/214，Y方向為1/230，相比于規(guī)范限值1/100，滿足規(guī)范要求且富余量較大，同時非減震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)的層間位移角的比值為0.37(X向)和0.40(Y向)。在結(jié)構(gòu)中增設(shè)消能器后，結(jié)構(gòu)抗震性能得到明顯提高，更易實現(xiàn)“大震不倒”甚至“功能不中斷”的設(shè)計性能指標(biāo)。

圖19 罕遇地震下X向?qū)娱g位移角

圖20 罕遇地震下Y向?qū)娱g位移角

除位移角指標(biāo)外，還需要關(guān)注在罕遇地震下結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)的位置及塑性鉸對應(yīng)的屈服狀態(tài)，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的損傷程度。通過塑性鉸極限轉(zhuǎn)角能力的大小，SAP2000將其分為B、IO、LS、CP、C、D及E共7種鉸狀態(tài)，其中B為出現(xiàn)塑性鉸，C為倒塌點(diǎn)，D為殘余強(qiáng)度，E為完全失效。而分析中一般出現(xiàn)較多的IO、LS及CP則分別對應(yīng)塑性鉸擴(kuò)展(立即使用)、生命安全及防止倒塌狀態(tài)。

圖21、圖22給出了減震結(jié)構(gòu)在人工波1作用下的塑性鉸分布情況，從圖中可以看出，在結(jié)構(gòu)中增設(shè)消能器后，大部分框架梁和較少部分框架柱出現(xiàn)了塑性鉸，梁端已經(jīng)開始形成屈服，結(jié)構(gòu)形成梁端塑性鉸耗能。豎向構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，同時梁端塑性鉸也處于LS水平以下，開展程度較低，整體結(jié)構(gòu)接近“大震可修甚至小修后仍可繼續(xù)使用”的設(shè)防目標(biāo)。

圖21 人工波1下結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布(X向)

圖22 人工波1下結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布(Y向)

在彈塑性分析中，圖23、圖24給出了消能器的荷載-位移曲線。從分析結(jié)果可以看出，本項目選用的粘滯消能在地震作用下滯回曲線飽滿，耗能效果顯著，進(jìn)一步說明了增設(shè)了粘滯消能器的結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下表現(xiàn)出較好的減震能力。

圖23 罕遇地震工況下粘滯消能器荷載-位移曲線(R1X)

圖24 罕遇地震工況下粘滯消能器荷載-位移曲線(R1Y)

4 結(jié)論

本文以實際項目為例，通過在非減震結(jié)構(gòu)中增設(shè)粘滯阻尼器，進(jìn)而對減震結(jié)構(gòu)及非減震結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震工況下的地震響應(yīng)進(jìn)行對比，得出如下結(jié)論：

(1)對于位于發(fā)震斷層附近的高烈度區(qū)醫(yī)療類建筑，考慮近場增大系數(shù)1.25后，主體結(jié)構(gòu)所收到的地震作用接近Ⅸ度設(shè)防。傳統(tǒng)設(shè)計方法下結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，建筑使用功能及品質(zhì)均受到影響；墻體內(nèi)需設(shè)置型鋼，設(shè)計及施工難度加大。

(2)消能減震技術(shù)的應(yīng)用能夠提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，為發(fā)震斷層附近高烈度區(qū)醫(yī)療類建筑提供了一種可行且有效的設(shè)計思路。

(3)多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)主體彈性，粘滯消能器在小震下開始耗能，能夠提供3%的附加阻尼比；X及Y向最大層間位移角分別為 1/989 和1/1035，均滿足規(guī)范 1/800 的要求，且留有一定的余量。

(4)多遇地震工況下行進(jìn)時程分析，相比于非減震結(jié)構(gòu)，增設(shè)消能器后樓層X與Y向基底剪力分別減小14%和15%；最大層間位移角減小30%左右。主體結(jié)構(gòu)地震力得到削弱，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性有所提升，粘滯消能器有吸收地震能量的作用，達(dá)到減震的效果。

(5)在罕遇地震下，設(shè)置粘滯消能器的結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/214(X向)和1/230(Y向)。豎向構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，同時梁端塑性鉸也處于LS水平以下，開展程度較低，整體結(jié)構(gòu)接近“大震可修甚至小修后仍可繼續(xù)使用”的設(shè)防目標(biāo)。