基于隔震-减震混合控制的钢筋混凝土框架医院建筑抗震性能分析

2024-04-08郭宇菲安徽省建筑科学研究设计院安徽合肥230031

安徽建筑 2024年3期

郭宇菲（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230031）

0 引言

2023 年全球发生6 级以上地震129次、7级以上地震19次，其中仅土耳其地震就造成当地近5 万人死亡，损失超过1000 亿美元。为减少地震造成的伤亡和经济损失，学者提出了抗震韧性[1-2]这一概念。隔震技术将地震损伤集中在隔震层，能够有效降低主体结构的地震响应，是韧性的重要途径之一。隔震技术经历数次地震的考验，验证了该技术的合理性和优越性。然而在大震下，隔震结构仍会发生一定的损伤。对于变电站、医院等生命线工程，为了使其在地震中使用功能不中断，往往需要对其设定更高的性能目标。基于此，本文将隔震技术与减震技术相结合，在基础隔震结构上部增设减震装置，使结构在大震下也能保持完好，从而达到更高的韧性目标。

本文以一栋4 层钢筋混凝土框架医院建筑为例，采用叠层分析法进行隔震-减震混合控制的设计。通过Perform-3D 软件建立有限元模型，分别在设防地震和罕遇地震下对隔震结构和隔震-减震结构进行动力时程分析，分析两个结构的抗震性能并对比其差异。研究方法和结果可为减隔震联合使用的结构设计提供一定的参考。

1 工程概况

该工程为一栋4 层钢筋混凝土框架医院建筑，结构示意图如图1 所示。医院建筑属于重要的生命线工程，该建筑总高度14.7m，各楼层高度分别为3.6m、3.9m、3.6m 和3.6m，抗震设防烈度为8 度（0.2g），抗震设防类别为乙类，地震分组为第二组，场地类别为II类。

图1 某医院建筑示意图

2 隔震-减震混合控制结构的设计

2.1 隔震-减震混合控制结构的设计流程

隔震-减震混合控制结构采用文献[3-4]提出的叠层分析法进行设计，先进行隔震设计，满足条件后再对上部结构进行减震设计，设计流程如图2所示。

2.2 隔震设计

本工程拟通过隔震设计，上部结构可以实现降低1 度的目标。我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[5]规定，隔震设计后结构的水平减震系数小于0.4，上部结构可按降低1 度设计。采用YJK 软件初步对上部结构按照降低1度（7 度，0.1g）进行设计，采用C30 等级混凝土、HRB400 等级纵向钢筋和HRB335 等级箍筋强度，表1 列出了结构梁、柱截面尺寸及配筋。

表1 梁柱截面尺寸及配筋

在ETABS 软件中建立上部结构模型。经验算，由ETABS 软件建立的上部结构模型和由YJK 软件建立的上部结构模型的质量、自振周期和7 度设防地震下最大楼层剪力、最大层间位移角误差均在5%以内，表明ETABS 建立结构模型的可靠性。在每个柱子底部布置隔震支座，《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[5]规定乙类建筑重力荷载代表值下的竖向压应力不应超过12MPa，提取每个柱底的竖向反力，由此可以计算每个隔震支座的最小直径D。初步选择21个LRB600 铅芯橡胶支座、54 个LNR600普通橡胶支座，表2为隔震支座参数表，图3 为隔震支座布置图，隔震结构的屈重比为4.02%。

表2 隔震支座参数表

图3 隔震支座布置图

在ETABS 软件中建立隔震层，形成隔震结构，支座采用Rubber Isolator 和Gap 单元并联进行模拟[6]。上部结构和隔震结构的一阶自振周期分别为0.748s 和1.906s。在设防地震下，通过隔震结构与上部结构各楼层层间力比值的最大值可以计算出X 向和Y 向水平减震系数分别为0.39 和0.36，结构的水平减震系数取较大值，该值小于0.4，符合预定的隔震目标，上部结构可以按7 度（0.1g）进行设计。

隔震支座的布置需满足隔震层偏心率小于3%。采用文献[7]的公式进行偏心率验算，验算结果如表3 所示，可知两个方向偏心率均小于限值。经计算，罕遇地震下隔震层位移最大值小于0.55倍隔震支座有效直径D 和3 倍厚度Tr的较小值（330mm），符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[5]要求；罕遇地震下隔震支座的极大面压为7.2MPa，小于《建筑隔震设计标准》（GB/T 408-2021）[8]的限值25MPa。极小面压为-0.3MPa，大于《建筑隔震设计标准》（GB/T 408-2021）的限值-1MPa。综上可知，隔震支座布置较为合理，各项指标均能通过验算。

表3 隔震层偏心率

2.3 上部减震结构的设计

在隔震设计后，对上部降度的结构进行减震设计。为了简化计算，仅在弱轴方向（X 向）进行减震设计，减震设计的目标是使上部结构获得约5%的附加阻尼比。上部结构采用U 型金属消能器作为减震装置，并通过外挂墙板与主体结构相连。采用等效线性化方法[9]进行消能器的设计和布置。考虑上部结构各层的抗震能力，在一层、二层、三层分别布置了16、48、24个相同的消能器，消能器参数和示意图如表4 和图4 所示。经过迭代计算，获得上部结构附加阻尼比为4.40%，符合预期目标。

表4 消能器参数表

图4 U型金属消能器示意图

减震设计完成后，再次对隔震层在罕遇地震下进行校核。经验算，隔震-减震混合结构的隔震层位移和面压仍满足规范要求。

3 隔震-减震混合控制结构与隔震结构抗震性能对比分析

3.1 有限元模型的建立

采用Perform-3D 软件建立仅隔震设计和隔震-减震混合控制设计的两个结构模型，其中梁、柱采用非线性纤维截面，U 型金属消能器采用弹簧单元，外挂墙板采用刚性柱单元，隔震支座采用Seismic Isolator, Rubber Type 单元进行模拟[10]。图5 为建模方法示意图。经验算，由Perform-3D 软件建立的上部原型结构模型与YJK 模型的质量、自振周期误差均小于5%，验证了Perform-3D 模型的准确性。隔震结构在减震设计前后的一阶自振周期分别为1.906s和1.852s。

图5 建模方法示意图

3.2 地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）规定，选取与结构周期点（1.906s和1.852s）相匹配的7条地震波（5 条天然波和2 条人工波）进行动力时程分析，地震记录来源于PEER 地面运动数据库，人工波由YJK 软件合成。图6 为设防地震下地震波加速度反应谱与规范设计反应谱的对比，其中地震波谱值误差最大值不超过35%、误差平均值不超过20%。

图6 地震波反应谱

3.3 设防地震下动力时程分析

对隔震结构和隔震-减震混合结构在设防地震下进行动力时程分析，输入的峰值加速度为200 cm/s2。图7 为设防地震7 条地震波及其均值下结构最大层间位移角分布和对比。从图中可以看出两结构的最大层间位移角均小于我国《建筑隔震设计标准》（GB/T 408-2021）[8]中RC 隔震结构的弹性层间位移角限值1/400，其中隔震-减震混合结构远低于该值。在隔震结构上部增加减震装置前后最大层间位移角分别为1/564和1/1211，最大层间位移角减震率为53.4%。表5 为设防地震下两结构最大隔震层位移和顶点绝对位移均值，从表中可以看出，结构大部分位移集中在隔震层；相较于隔震结构，隔震-减震结构的隔震层位移有所增加，这是因为上部结构刚度的增加导致隔震层位移有所增大。尽管如此，相较于隔震结构，隔震-减震结构顶点绝对位移减震率为8.70%。由此可知，在设防地震下，在隔震结构上部增加减震装置能有效减小结构的最大层间位移角和顶点位移，提高结构的抗震性能。

表5 设防地震下两种结构最大位移均值（单位：mm）

图7 设防地震下两种结构最大层间位移角

3.4 罕遇地震下动力时程分析

在罕遇地震下对隔震结构和隔震-减震混合结构进行动力时程分析，此时输入的峰值加速度为400 cm/s2。罕遇地震下7 条地震波及其均值下结构最大层间位移角分布和对比如图8 所示，可知隔震结构的最大层间位移角小于我国《建筑隔震设计标准》（GB/T 408-2021）[8]规定的RC 隔震结构在罕遇地震下的弹塑性层间位移角限值1/100，隔震-减震结构小于弹性层间位移角限值1/400。相较于隔震结构（1/189），隔震-减震结构（1/425）的最大层间位移角减震率为55.5%。罕遇地震下两结构最大隔震层位移和顶点绝对位移均值如表6 所示。可知，结构大部分位移集中在隔震层，两结构隔震层最大变形均远小于隔震层位移限值330mm（0.55D），符合规范要求。相较于隔震结构，隔震-减震结构的隔震层位移有所增加，但顶点绝对位移减震率为10.25%。综上可知，在罕遇地震下，相比于隔震结构，隔震-减震结构的最大层间位移角和顶点位移均得到有效控制，能提高结构的抗震性能。