某醫(yī)院病房樓減震加固設(shè)計分析

許敏超

上海市建工設(shè)計研究總院有限公司 上海 200050

目前醫(yī)院建筑在性能提升過程中主要存在結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)高、不能影響整體的醫(yī)療環(huán)境、改造周期不能太長等難題[1]。

房屋常規(guī)的抗震加固措施主要有：加大截面法、外包角鋼法、增設(shè)翼墻法等[2]。這類加固措施主要以增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度來提高房屋整體抗震性能。但其亦存在一些缺陷，如結(jié)構(gòu)自重增加則地震作用增大，抗震加固效率低、施工周期長、濕作業(yè)面積大、可能存在基礎(chǔ)加固等問題。

減震控制理論作為一種新型的結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)，最早由美籍華裔學(xué)者姚治平[3]提出。減震控制技術(shù)是在房屋主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，以轉(zhuǎn)移和耗散地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)塑性損傷可控的抗震技術(shù)。相較于常規(guī)加固措施，減震技術(shù)具有工期短、作業(yè)面小、不增加自重、操作簡單等優(yōu)勢。故該技術(shù)已逐步應(yīng)用于醫(yī)院建筑的抗震加固中。

本文結(jié)合一個具體工程案例，從地震塑性損傷控制的角度介紹減震技術(shù)在醫(yī)院加固項(xiàng)目中的應(yīng)用。相關(guān)分析過程可供設(shè)計人員參考。

1 工程概況

本工程為上海市某5層醫(yī)院病房樓。房屋建筑面積約為6 430 m2，建造于2000年。房屋高度為27.95 m，1層層高為3.75 m，2層層高為3.60 m，3層層高為3.45 m，4層層高為3.75 m，5層層高為3.60 m。房屋平面呈矩形，長約68 m，寬約21 m，病房樓標(biāo)準(zhǔn)層平面見圖1，圖中橢圓表示新增墻式黏滯消能支撐。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），設(shè)計地震分組第二組，場地類別Ⅳ類，Tg＝0.9 s，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）。根據(jù)該項(xiàng)目抗震鑒定報告可知，房屋部分樓層框架梁、柱及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗震承載力不滿足計算要求，需要進(jìn)行加固處理。

2 消能器的選取和模擬

圖1 病房樓標(biāo)準(zhǔn)層平面示意

考慮到黏滯消能支撐出力與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力存在近似90°相位差（結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大時，黏滯阻尼器出力為0，黏滯阻尼器出力最大時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力近似為0），故采用黏滯消能支撐時，對消能子結(jié)構(gòu)區(qū)域影響較小。同時，黏滯阻尼器本身無靜剛度，不影響結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)性能。因此，黏滯阻尼器在加固工程中具有更好的適用性。

黏滯阻尼器的力學(xué)行為通?？梢圆捎肕axwell模型來描述，即一個彈簧單元串聯(lián)一個黏壺單元。Maxwell模型中串聯(lián)的彈簧剛度，代表黏滯阻尼器的初始剛度。值得一提的是，黏滯阻尼器的初始剛度并非一個較大值，如一些日本學(xué)者對不同廠家油阻尼器的初始剛度進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果表明，油阻尼器初始剛度k與黏滯阻尼系數(shù)C符合關(guān)系式k＝10C。設(shè)計時若采用較大的初始剛度，將大大高估阻尼器的耗能效果，得出不合理的結(jié)論。

3 計算模型的建立與地震波的選取

3.1 無控模型的建立

不同有限元軟件對比結(jié)果見表1。從表1中可知，2個分析軟件的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、計算周期差異均比較小。ETABS模型作為本工程消能減震分析的有限元模型是相對準(zhǔn)確的，且能較為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的基本特性。為方便后續(xù)分析，本文將未加固結(jié)構(gòu)記為ST0，將消能減震加固后的結(jié)構(gòu)記為ST1。

表1 不同有限元軟件對比結(jié)果（ST0）

3.2 地震波的選取

為了在計算中較精確地模擬消能器的非線性性質(zhì)，一般都是進(jìn)行地震時程分析。按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，本工程選取了2組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組擬合設(shè)計反應(yīng)譜的人工模擬加速度時程進(jìn)行了時程分析，相關(guān)計算結(jié)果取3條時程的包絡(luò)值。時程曲線如圖2～圖4所示。

3.3 阻尼器配置的數(shù)量及布置形式

根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)際建筑允許的支撐

圖2 人工時程曲線（REN）

圖4 天然時程曲線2（TR2）

布置位置，共布置了41組黏滯消能支撐。黏滯阻尼器主要力學(xué)參數(shù)見表2。阻尼器布置形式見圖5。

表2 黏滯阻尼器力學(xué)參數(shù)VFD

圖5 阻尼器布置形式

4 減震效果分析

4.1 多遇地震作用下減震分析

分別對未加固結(jié)構(gòu)ST0和消能減震加固后的結(jié)構(gòu)ST1進(jìn)行多遇地震下的非線性時程分析，并對樓層層間位移角、層間剪力進(jìn)行了對比，相關(guān)計算結(jié)果見圖6、圖7。圖8為多遇地震下黏滯阻尼器耗能結(jié)果。其中，層號1表示架空層，2—6層為結(jié)構(gòu)主要樓層，7、8層為局部突出屋面層。從圖中可知，結(jié)構(gòu)主要樓層層間位移角降低率和層間剪力降低率均超過了20%，在多遇地震作用下，黏滯耗能支撐已經(jīng)發(fā)揮了較好的耗能效果。

圖6 樓層層間位移角對比結(jié)果

圖7 樓層層間剪力對比結(jié)果

圖8 典型黏滯阻尼器耗能結(jié)果

分別采用規(guī)范法[4]和能量比法[5]對多遇地震下（小震）黏滯消能支撐的附加阻尼比進(jìn)行了統(tǒng)計分析，對比結(jié)果見表3。

表3 小震下的附加阻尼比計算結(jié)果

從表中可知，能量比法計算得到的附加阻尼比要小于規(guī)范法，這主要是由于規(guī)范法計算附加阻尼比是基于結(jié)構(gòu)在簡諧激勵作用下發(fā)生共振時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)得到的，具有一定的近似性[6]；此外，消能支撐往復(fù)循環(huán)消耗的能量計算往往是按照等效矩形近似考慮[7]，矩形面積折算系數(shù)的選取亦存在較大的差異性等。

4.2 設(shè)防烈度地震作用下減震分析

根據(jù)上海地方規(guī)程[8]的要求，計算減震結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下的附加阻尼比。計算方法采用能量比法，統(tǒng)計計算結(jié)果及典型地震波下計算過程見表4和圖9、圖10。

從表中可知，中震下，消能支撐的附加阻尼比約為4%。

表4 中震下的附加阻尼比計算結(jié)果

圖9 REN波中震x向附加阻尼比

圖10 REN波中震y向附加阻尼比

4.3 罕遇地震作用下減震分析

對ST0和ST1結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。人工地震時程輸入下ST0與ST1結(jié)構(gòu)耗能分布情況見圖11～圖14。經(jīng)對比分析可知，通過增設(shè)黏滯阻尼器消能支撐，較大程度降低了罕遇地震作用下房屋主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷，顯著改善了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。從能量圖上可見，罕遇地震下消能支撐可提供約4.5%的附加阻尼比。

圖11 REN時程x向輸入下 ST0結(jié)構(gòu)耗能

圖12 REN時程x向輸入下 ST1結(jié)構(gòu)耗能

圖13 REN時程y向輸入下 ST0結(jié)構(gòu)耗能

圖14 REN時程y向輸入下ST1結(jié)構(gòu)耗能

對ST1結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角進(jìn)行了統(tǒng)計（取3條地震時程輸入計算結(jié)果的包絡(luò)值），由計算結(jié)果可知，ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角符合規(guī)范1/50的限值要求，滿足“大震不倒”的要求。

對ST1結(jié)構(gòu)的梁、柱和構(gòu)件性能進(jìn)行評估分析可知，在罕遇地震作用下，框架梁的最大塑性狀態(tài)小于LS性能點(diǎn)（中度損壞）；框架柱的最大塑性狀態(tài)小于LS性能點(diǎn)（中度損壞）；梁柱截面均滿足截面剪壓比要求。

綜上可知，附加黏滯消能支撐起到了良好的損傷控制效果，達(dá)到了預(yù)設(shè)的抗震加固目標(biāo)。通過多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震下的附加阻尼比計算可知，多遇地震和設(shè)防烈度下附加阻尼比約為4.0%，罕遇地震下附加阻尼比約為4.5%，這與以往的經(jīng)驗(yàn)不符（附加阻尼比：多遇地震＞設(shè)防烈度地震＞罕遇地震）。這主要是合理考慮黏滯阻尼器初始剛度影響的結(jié)果。該計算結(jié)果更具合理性。

5 結(jié)語

本文對一幢醫(yī)院病房樓的減震加固設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的分析，主要的結(jié)論如下：

1）黏滯阻尼器初始剛度并非無窮大，而為一有限值。

2）在阻尼器參數(shù)設(shè)計合理的情況下，多遇地震下的附加阻尼比計算未必會大于設(shè)防烈度地震或罕遇地震。

3）減震技術(shù)能良好地控制震損，易于震后損傷修復(fù)。