某医药提取车间减震设计

施 骏 杨 翎 秦怀富

云南化工设计院有限公司 昆明 650041

1 工程概况

云南某医药提取车间为二层钢筋混凝土框架结构，建筑高度18.7m，建筑面积4852.87m2，建筑平面长宽为90×33.9m，火灾危险性分类为甲类且具有爆炸危险性，依据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223划分为重点设防类，结构安全等级一级，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组第三组，场地类别II类。

依据云南省地方文件，抗震设防烈度8度以上单体建筑面积1000平方米以上的重点设防类建筑应采用隔震减震技术。隔震和减震技术均能有效地减轻地震作用对建筑结构的影响，二者在工期、造价、抗震性等方面的对比见表1。

表1 减震与隔震技术可行性对比

由于提取车间没有地下室，采用减震技术更具经济性及可行性。

该提取车间属超长结构，且存在大开洞、错层等不规则项，为避免成为多项不规则超限结构，把提取车间划分为两个结构单元，本文以88～1414轴的结构单元为例，进行减震设计。

2 减震方案及布置

消能减震结构主要是通过设置消能减震器以控制结构在不同烈度地震作用下的预期变形，从而达到不同等级的抗震设防目标。消能减震器分为速度相关型和位移相关型两大类。黏滞阻尼器属于速度相关型阻尼器，其耗能能力和速度大小有关，速度越快相应阻尼力越大，耗能作用越明显。在静力荷载作用下，黏滞阻尼器不发挥作用，在动力荷载作用下，通过附加阻尼和动刚度的共同作用发挥减震能力。屈曲约束支撑属于位移相关型阻尼器，其耗能能力和自身变形相关，变形越大，其耗能作用越明显。在静力荷载和动力荷载作用下同时为结构提供刚度和阻尼[3,4]。

提取车间采用砼框架结构，项目位于高烈度区，楼面荷载较大，按传统的抗震方法计算后发现，框架梁、柱截面过大，超筋较为严重。由于黏滞阻尼器与曲约束支撑相比，不会增加结构刚度，不会使结构周期减小，能够增加结构阻尼比，有效减少结构地震作用下的反应，且施工安装方便、维护成本低、建筑构造简单、布置灵活。综合考虑各方面因素后，决定采用黏滞阻尼器进行消能减震设计。

2.1 黏滞阻尼器消能减震设计原理

黏滞阻尼器一般由缸体、活塞和粘性液体所组成，见图1所示。

图1 黏滞阻尼器构造图

缸体内装有粘性液体，液体常为硅油或其他粘性流体，活塞上开有小孔。当活塞在缸体内做往复运动时，液体从活塞上的小孔通过，对活塞和缸体的相对运动产生阻尼，从而消耗震动能量，见图2所示。

图2 黏滞阻尼器实物图

2.2 减震结构设计流程

如何评估黏滞阻尼器的减震作用，是减震结构设计的首要问题。在减震结构设计中，引入附加阻尼比，可以在减震设计和传统抗震设计之间建立一座相互连通的桥梁。减震结构进行强度设计时，可以根据附加阻尼比来考虑消能减震器的作用，从而确定减震后的地震作用，减震效果可通过减震前后的结构位移、楼层剪力等来体现。

具体设计流程为：

(1)确定PKPM软件中结构的附加阻尼比，确定黏滞阻尼器参数和数量，以及黏滞阻尼器的安装位置及型式。

(2)计算设置黏滞阻尼器的减震结构在多遇地震作用下的结构响应。

(3)进行弹性时程分析，复核附加阻尼比。

(4)罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算，对承载力不足的构件进行相应调整，最后完成与阻尼器相连的连接构件和结构构件的设计。

2.3 黏滞阻尼器布置方案

《建筑消能减震技术规程》JGJ297规定:阻尼器宜布置在层间相对位移或相对速度较大的楼层，宜使结构刚度沿高度方向均匀，宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近[1]。黏滞阻尼器布置主要考虑以下因素：①不影响建筑使用功能和工艺生产要求；②黏滞阻尼器耗能充分；③黏滞阻尼器布置在层间相对位移较大的楼层及部位。

基于以上原则，考虑将黏滞阻尼器布置于位移较大的角部及建筑中部，在1～2层沿两个主轴方向分别设置黏滞阻尼器12个，阻尼器参数详见表2，阻尼器布置详见图3。

表2 黏滞阻尼器技术参数表

注：编号命名规则为方向——楼层(建筑楼层)——减震器型式——序号。例如：X-i-Q-2表示X向第i层墙式黏滞阻尼器2号。

2.4 减震目标和性能目标

本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的减震目标，以及与黏滞阻尼器相连的构件和节点的性能目标及其设计方法见表3、表4。

表3 减震目标

表4 性能目标及其设计方法

3 多遇地震下的弹性时程分析

3.1 有限元模型验证

本工程采用大型有限元分析软件SAP2000建立减震与非减震结构模型，并进行计算与分析。SAP2000模型中使用膜单元模拟楼板，使用连接单元模拟黏滞阻尼器，SAP2000模型和阻尼器连接单元模拟形式如图4、图5，弹性时程分析采用软件所提供的快速非线性分析(FNA)方法，只考虑阻尼器的非线性，结构本身假设为线性。

图4 SAP2000模型图

图5 阻尼器连接单元模拟图

为实现校核结构模型的准确性，分别将SAP2000和PKPM软件计算的非减震模型质量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力、层间位移及层间位移角进行对比，见表5～表7。

表5 非减震结构质量对比(单位：t)

表6 非减震结构周期对比(前三阶)(单位：s)

表7 非减震结构地震层间剪力对比(单位：kN)

结果表明，用于减震分析计算的SAP2000模型与PKPM模型，在结构质量、周期、各层剪力计算值差异很小，模型一致性较好。

3.2 选取地震波

《建筑抗震设计规范》(GB50011)5.1.2条规定：弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%[2]。这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求，但计算结果也不能太大，每条地震波输入计算应不大于135%，平均不大于120%。同时考虑《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则(试行)》中有关4.1.7条规定：弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得主体结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%，多条时程曲线计算主体结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的95%。本工程选取了实际5条强震记录波和2条人工模拟波，通过计算对比(详见表8)，所选波满足要求。

表8 时程分析法与反应谱法计算基底剪力对比

3.3 减震效果分析

对比分析减震结构与非减震结构模型的层间位移角及层间剪力见表9～表10。

表9 多遇地震下最大层间位移角(1/rad)

表10 多遇地震下层间剪力(kN)

结果表明在多遇地震下黏滞消能器可提供一定阻尼，结构满足基底剪力减少15%、层间位移角小于1/610的性能目标要求。

3.4 附加阻尼比计算

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011)的第12.3.4条：消能部件附加给结构的有效阻尼比，可按下式计算：

式中，ξa为消能减震结构附加有效阻尼比；Wcj为第个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量；Ws为设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能；Fi为质点的水平地震作用标准值；Δuj为第j个阻尼器两端的相对水平位移；ui为质点对应于水平地震作用标准值的位移；λ1为阻尼指数的函数，本工程取值3.70；Fdjmax为第j个消能器在相应水平地震作用下的最大阻尼力。

本工程附加阻尼比计算见表11、表12，七条波X、Y方向平均值分别为5.33%和7.79%，比设定的减震目标多遇地震作用下附加阻尼比3%大，结构偏安全。

表11 X方向结构附加阻尼比计算

表12 Y方向结构附加阻尼比计算

T1波X方向作用下黏滞阻尼器的滞回曲线和减震结构的能量耗散曲线如图6、图7所示，可知阻尼器的滞回曲线较为饱满，阻尼器能够吸收较多的地震作用，能够有效减小结构的地震响应。

图6 黏滞阻尼器的滞回曲线

4 罕遇地震作用下的弹塑性分析

4.1 有限元模型建立

本工程采用SAP2000进行减震结构的弹塑性时程分析，SAP2000软件具有强大的非线性动力分析功能，能够准确分析主体结构进入塑性的变形特征及阻尼器在大震下所发挥的特性。在SAP2000中，使用连接单元damper模拟黏滞阻尼器，主体结构框架梁、柱均定义塑性铰。弹塑性时程分析过程考虑材料非线性；采用小变形假定；不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，β值取0.25，γ取0.5，α为0。弹塑性时程分析采用与弹性时程分析相同的7条地震波，每条波的基底剪力均满足在反应谱65%～135%范围内，满足规范要求。

4.2 减震效果分析

通过分析各组地震波作用下结构构件出铰顺序，以R1波为例，X向单向输入时在第86步出现梁铰，第800步出现柱饺，梁铰先于柱铰出现，罕遇地震作用下的层间位移角满足减震目标小于1/100，结果表明结构在地震作用下具有合理的耗能机制，结构耗能及出铰顺序满足“大震不倒”的抗震设防要求。减震结构与非减震结构的水平位移比，满足“罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的水平位移比小于0.75”的要求，详见表12。

表12 大震非减震与减震结构最不利层间位移角(1/rad)比值

阻尼器在罕遇地震作用下的位移和速度均满足极限速度为最大速度的1.2倍，极限位移为最大位移的1.2倍。最大阻尼力在水平方向上分量之和不大于楼层层间屈服剪力的60%，满足《建筑消能减震技术规程》(SJGJ297)中有关规定，计算结果详表13。

表13 各层阻尼器最大出力及位移包络值汇总表

4.3 减震子结构设计

子结构中支承阻尼器的悬臂墙按大震弹性设计，子结构中梁、柱、墙构件按重要构件设计，在罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应下，其值应小于构件极限承载力。

其中子结构框架柱按压弯构件计算，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010)第4章及其条文说明第4.1.3条和《建筑抗震设计规范》(GB50011)第M.1.2条第4款，可确定材料的标准值和最小极限强度值，结合《混凝土结构设计规范》(GB50010)第6.2.15条，可确定一个已知柱截面的PMM曲线，提取框架柱在罕遇地震作用下的计算结果，可得到框架柱在地震波各个时刻受的轴力P和弯矩Mx、My，将P-M值描述在柱截面的PM曲线图上，就可完成截面配筋设计。

5 结语

通过对采用减震技术的提取车间进行性能分析，黏滞阻尼器在多遇地震下可使基底剪力减少15%，层间位移角小于1/610，结构主体处于弹性，黏滞阻尼器可提供5%左右的附加阻尼；在罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的水平位移比小于0.75，结构最大层间位移角至少减小50%。罕遇地震作用下构件开始进入塑性，框架梁、柱均有塑性铰出现，且梁铰先于柱铰出现，满足“强柱弱梁”的要求，黏滞阻尼器均滞回耗能，发挥了良好的耗能能力，为结构主体提供了良好的安全保障。

本工程为高烈度区重点设防类工业厂房，采用黏滞阻尼器的减震设计，与传统的抗震建筑相比，减震结构更具有良好的抗震能力，尤其是提高了厂房在罕遇地震下的抗倒塌性能，可为类似工业建筑减震设计提供参考。