组合减震技术在某医院建筑中的应用研究

Study on the Application of Combined Energy Dissipation Technology in a Hospital Building

摘要

本文以某医院建筑为研究对象，分别对不同减震方案（BRB、VFD、BRB+VFD）进行设防地震作用下的弹性时程计算，选取层间位移角、基底剪力和附加阻尼比为评价指标进行比选，择优采用BRB+VFD组合减震方案。对消能器减震效果进行参数影响规律分析，结果表明：优化VFD力学参数和BRB布置位置，结构附加阻尼比可提高超12%。设防地震作用下，结构耗能作用主要由VFD发挥，VFD耗能占结构总耗能超过30%。最后对本工程进行弹塑性时程分析，结果表明：罕遇地震作用下，减震装置耗能机制良好，相较于无控模型，组合减震结构塑性耗能减小约50%。结构X、Y向最大层间位移角分别为1/109、1/110，小于限值要求。结构整体轻微损伤，少部分构件中度损坏，满足性能目标要求。

Abstract

Taking a hospital building as the research context， this study performs elastic time-history analyses on various seismic energy dissipation schemes—namely BRB， VFD， and their combination （BRB+VFD）—under moderate earthquake conditions. Story drift， base shear， and additional damping ratio are adopted as evaluation metrics for comparison， leading to the recommendation of the BRB+VFD composite scheme. A parametric analysis is subsequently conducted to investigate the influence of energy dissipation devices. The results indicate that optimizing VFD mechanical parameters and BRB placement can enhance the structural additional damping ratio by over 12%. Under moderate earthquakes， VFDs contribute predominantly to energy dissipation， accounting for more than 30% of the total structural energy dissipation. Finally， elastic-plastic time-history analysis is carried out. The findings reveal that under major earthquakes， the devices exhibit favorable energy dissipation behavior. Compared to the uncontrolled model， the combined scheme reduces plastic energy dissipation by approximately 50%. The maximum story drifts in the X and Y directions are 1/109 and 1/110， respectively， satisfying code limits. Overall， the structure sustains minor damage with only a few members moderately damaged， thereby fulfilling the prescribed performance objectives.

Graphical abstract

关键词

组合减震 / 附加阻尼比 / 结构耗能 / 性能目标

Key words

combined energy dissipation / additional damping ratio / structural energy dissipation / performance requirement

0 引 言

我国是一个地震多发国家，传统抗震设计通过结构塑性变形来耗散地震能量，但这会导致结构构件损伤并难以修复，造成较大的经济损失和社会影响。《建设工程抗震管理条例》（国务院第744号令）（下称《条例》）规定，对处于高烈度地区、地震重点监视防御区的八类项目，应采用减震隔震技术，并满足设防地震作用下的正常使用要求。《基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则》（RISN-TG046—2023）^［1］（下称《导则》）对“正常使用要求”的具体性能进行明确，主要包含承载力、变形和楼面加速度三个指标^［2］。上述规定有效推动了减震技术在我国的发展。

消能减震技术的基本原理是通过消能器自身滞回耗能，减小地震作用^［3］。工程中常用的减震装置主要有两类，一类是位移型消能器，一类是速度型消能器^［4］。位移型消能器除提供耗能作用外还附加结构刚度，常用于刚度不满足规范要求的项目^［5-6］。速度型消能器仅提供附加阻尼比，不改变结构刚度，该特征方便工程师进行设计，在实践中广泛应用^［7-8］。

目前多数工程常采用单一的消能减震技术，组合减震应用相对较少^［9］。本文以上海某医院项目为例，通过对不同减震方案进行对比分析，表明组合减震技术在本项目中的应用优势，并对其减震效果进行详细分析。

1 工程概况

本工程位于上海市杨浦区，总建筑面积为17.2万m²，地上建筑面积为10.6万m²，地下建筑面积为6.6万m²。地上新建单体为1#综合楼、2#垃圾站、3#液氧站和4#门卫室（图1）。其中1#综合楼共5层，建筑高度为24 m，主要使用功能为门诊、医技和住院。1#综合楼根据建筑造型及功能分布，设置多道抗震缝，使其形成4个相互独立的结构单体，具体如图2所示。本文主要针对D单体的减震设计进行研究分析。

本工程主体结构设计工作年限为50年，建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为一组，建筑场地类别为Ⅳ类。

2 设防地震减震设计

2.1　性能目标

根据《导则》、《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）^［10］和上海市《建筑消能减震及隔震技术标准》（DG/TJ 08-2326—2020）^［11］相关规定，确定本工程结构抗震性能目标如表1所示。

2.2　减震方案研究

本工程消能减震装置的布置，主要依据“均匀、分散、对称”的原则，并结合建筑功能要求，将消能器优先设置于层间位移或层间速度较大的区域。经综合分析，确定本工程消能器布置方案如图3所示。

减震分析时，首先根据小震弹性计算结果确定满足规范要求的无消能器模型（下称无控模型，记为方案0）。之后在无控模型基础上分别布置VFD（Viscous Fluid Damper，黏滞阻尼器）（方案1）和BRB（Buckling-Restrained Brace，屈曲约束支撑）（方案2），并进行设防地震作用计算，结果见表2。对于地震影响系数位于曲线下降段的框架结构，当刚度基本保持一致时，结构阻尼比越大，水平地震影响系数越小，结构地震力越小。故本工程以附加阻尼比大小作为减震效率的评价指标。

VFD和BRB的力学参数根据工程经验初步确定，具体详见表3—表4。

由表2知，采用VFD减震方案时，结构在设防地震作用下的响应减小，X、Y向基底剪力分别减小14.9%、17.1%。层间位移角也相应减小，X、Y向的最大层间位移角分别为1/225、1/231，大于限值1/275，结构刚度不满足要求。采用BRB减震方案，结构刚度显著增大，X、Y向的最大层间位移角分别为1/321、1/295，满足1/275的限值要求。但结构刚度增加的同时导致地震响应增大，结构X、Y向基底剪力分别增大14.9%、15.4%，部分消能子结构承载力不满足要求。BRB减震方案结构附加阻尼比不到1.0%，耗能减震效果欠佳。

考虑到纯VFD方案的刚度不足和纯BRB方案的减震效率低下问题，本工程将部分位移较大位置的VFD替换为BRB，采用组合减震方案（方案3），VFD和BRB的平面位置如图4所示。

对组合减震方案进行设防地震作用下的弹性时程分析，地震波选取上海市《建筑抗震设计规程》（DG/TJ 08-9—2023）^［12］附录A中的SHW1—SHW7，7条波作用下的平均计算结果见表5，层间位移角曲线如图5所示。

由上述计算结果可知，采用BRB+VFD组合减震后，结构X、Y向在7条地震波下的平均基底剪力为73 451.8 kN、77 750.4 kN，相较于无控模型，基底剪力减幅分别为10.8%、13.5%。结构X、Y向的最大层间位移角分别为1/290、1/278，满足预定性能目标要求。结构X、Y向附加阻尼比分别为2.46%、2.44%。

2.3　减震参数影响分析

既有研究表明，消能器的数量、力学参数和布置位置会显著影响其减震效果^［13-14］。陈云等^［15］指出，黏滞阻尼器的耗能效果随着阻尼指数、阻尼系数的增大呈现先增大后减小的变化趋势。本节以阻尼系数、阻尼指数为参数变量，研究其变化对结构减震效果的影响，以期达到在同等消能器布置下的最优减震耗能。

初始计算时的VFD力学参数见表3。分别考虑阻尼指数为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，阻尼系数取400、800、1 200、1 600、2 000 \mathrm{k}\mathrm{N}\cdot {(\mathrm{s}/\mathrm{m})}^{\mathrm{0.3}}，对结构进行设防地震作用下的时程分析，得到不同力学参数下的结构附加阻尼比如图6所示。

由图可知，当阻尼指数取0.3，阻尼系数取1 200 \mathrm{k}\mathrm{N}\cdot {(\mathrm{s}/\mathrm{m})}^{\mathrm{0.3}}时，结构的减震效率最高，结构X、Y向的附加阻尼比分别为2.57%、2.61%，高于方案3的附加阻尼比2.46%、2.44%。

综上，本工程VFD力学参数最终取为C=1 200 \mathrm{k}\mathrm{N}\cdot {(\mathrm{s}/\mathrm{m})}^{\mathrm{0.3}}，\alpha=0.3（方案4）。

2.4　消能器布置位置优化

为提升结构整体刚度，在建筑角部共布置了3组BRB，如图4所示。对于自振周期位于反应谱下降段的结构，刚度的提升可能引起地震作用增大，其增量甚至可能超过BRB所降低的地震作用。此外，VFD的耗能效率与其两端的相对速度密切相关，增设BRB引起的结构刚度变化亦可能在一定程度上削弱VFD的耗能效果。因此，为优化BRB的布置位置，本节提出以下四种调整方案：去除第5层BRB（方案5）、去除第4—5层BRB（方案6）、去除第3—5层BRB（方案7）以及去除第2—5层BRB（方案8）。通过在设防地震作用下对各方案进行计算分析，评估其在满足整体刚度需求的前提下，消能部件的实际减震效果。具体计算结果见表6。

由上述计算结果可知，对于本工程，适当减少BRB布置数量可在一定程度上提升消能器的减震效果。在满足规范层间位移角限值的前提下，去除第3—5层BRB（方案7）时减震效果最优，此时消能器为结构提供的附加阻尼比分别为2.76%、2.80%，相较于VFD优化方案（方案4），结构附加阻尼比分别提高7.4%、7.3%。综合比选后，本工程最终采用方案7作为消能器的布置方案。

2.5　设防地震耗能分析

提取SHW3地震波作用下的结构能量耗散曲线，如图7所示。由图可知，设防地震作用下的结构耗能主要由VFD承担。X向VFD耗能占结构总耗能的32.9%，BRB耗能占结构总耗能的3.9%，Y向VFD耗能占结构总耗能的34.7%，BRB耗能占结构总耗能的2.9%。结构X、Y向附加阻尼比分别为2.76%、2.80%。

提取SHW3地震波作用下的消能器滞回曲线如图8所示。由图可知，BRB和VFD在设防地震作用下均耗能减震。BRB最大轴力为2531.8 kN（F_y =2 500 kN），VFD最大出力为421.8 kN，最大位移为17.6 mm。

3 罕遇地震下的结构响应

3.1　弹塑性模型建立

为达到表1中的抗震性能目标，对本工程进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，地震波选取文献［16］附录A中的SHW8—SHW14。弹塑性模型建立时，框架梁采用弯矩塑性铰（M铰）模拟，框架柱采用轴力-弯矩塑性铰（P-M-M铰）模拟，黏滞阻尼器采用基于Maxwell模型的Damper单元。钢筋、混凝土等材料本构模型根据文献［16］附录C确定。

3.2　弹塑性模型分析结果

3.2.1　层间位移角验算

罕遇地震作用下的结构层间位移角见图9。

由图可知，结构在X、Y两个方向的层间位移角平均值分别为1/109、1/110，满足性能目标要求。

3.2.2　消能子结构验算

消能子结构基于罕遇地震作用下的构件弹性内力进行配筋设计，材料强度取极限值。以图4所示典型消能子结构（KZ1与KL1）为例进行分析。

提取KZ1在罕遇地震作用下的内力结果，并绘制其轴力-弯矩-强度（PMM）相关曲线，如图10所示。由图可知，框架柱所受内力均位于PMM曲线包络范围内，表明其满足大震不屈服的性能目标要求。

KL1截面尺寸为600 mm×900 mm，罕遇地震作用下，最大弯矩为3695 \mathrm{k}\mathrm{N}\cdot \mathrm{m}，其最大剪力为1 366 kN，当纵筋按对称方式配置，配筋率为2%时，截面受弯承载力为4 080 \mathrm{k}\mathrm{N}\cdot \mathrm{m}。梁配置直径10 mm、间距100 mm的四肢箍筋时，受剪承载力为1 491 kN。计算结果表明，该框架梁的受弯与受剪承载力均大于相应内力设计值，满足大震不屈服的性能目标要求。

3.2.3　结构损伤性能验算

罕遇地震作用下结构损伤云图如图11所示。

由图11可知，结构损伤主要集中在底层框架柱脚和框架梁端。总体上结构损伤轻微，极少数出现中等损坏，且消能子结构均未达到屈服承载力，表明结构在罕遇地震作用下有合理的屈服耗能机制，实现了预定的抗震性能目标，满足“强柱弱梁”的抗震设计原则。

3.3　罕遇地震作用下的耗能分析

提取SHW11地震波作用下组合减震模型和无控模型的耗能曲线，如图12—图13所示。

由图可知，罕遇地震作用下，组合减震结构模态阻尼耗能约占60%，减震装置总计耗能约21%，塑性耗能约占10%。相较于无控模型，设置消能器后，结构X、Y向塑性耗能分别减小47.6%、56.4%，体现了本工程减震装置具有良好的耗能机制，有效地保护了主体结构构件，改善了结构抗震性能。罕遇地震作用下，消能器提供的附加阻尼比分别为2.05%、1.91%。

罕遇地震作用下，VFD的出力和变形见表7，BRB的出力和变形见表8。由表可知，VFD最大出力为758.3 kN，最大位移为36.8 mm。BRB最大轴力为2 736.1 kN（F_y=2 500 kN），最大轴向变形为31.7 mm。由此得到的VFD和BRB最终设计参数见表9和表10。

提取最大出力位置的VFD（编号Y21，见图4）和最大出力位置的BRB（编号B12，见图4）的滞回曲线如图14所示。

由图可知，VFD和BRB均正常工作，且滞回曲线饱满，耗能机制健康。

4 结 语

本文以某医院建筑为工程背景，详细介绍减震技术在项目中的应用，并通过对不同减震方案、不同地震强度的结构响应进行计算分析，得出以下结论：

（1） 设防地震作用下，组合减震方案X、Y向的最大层间位移角分别为1/307、1/289，满足1/275的限值要求，其刚度比VFD减震方案提高超20%。组合减震方案X、Y向附加阻尼比为2.46%、2.44%，远高于BRB减震方案的附加阻尼比0.86%、0.74%。

（2） 对于本工程，VFD减震效率随阻尼系数、阻尼指数增大呈现先增大后减小的变化规律。当阻尼系数取1 200 \mathrm{k}\mathrm{N}\cdot {(\mathrm{s}/\mathrm{m})}^{\mathrm{0.3}}，阻尼指数取0.3时，VFD减震效率最高。相较于传统经验，VFD参数优化后的结构附加阻尼比可提高5%左右。组合减震结构减震效率与BRB布置位置紧密相关，BRB布置优化后，结构附加阻尼比可提高约7%。

（3） 设防地震作用下，组合减震结构中的耗能作用主要由VFD承担。VFD耗能占结构总耗能超30%，BRB耗能占结构总耗能约3%。

（4） 罕遇地震作用下，组合减震结构X、Y向最大层间位移角分别为1/109、1/110，满足性能要求。消能器在大震作用下正常滞回耗能，相较于无控模型，组合减震结构塑性耗能减小约50%。

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基金资助

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司自主课题(2022J-JG04)