某醫(yī)藥提取車間減震設(shè)計(jì)

施 駿 楊 翎 秦懷富

云南化工設(shè)計(jì)院有限公司 昆明 650041

1 工程概況

云南某醫(yī)藥提取車間為二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度18.7m，建筑面積4852.87m2，建筑平面長寬為90×33.9m，火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為甲類且具有爆炸危險(xiǎn)性，依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223劃分為重點(diǎn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)安全等級一級，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場地類別II類。

依據(jù)云南省地方文件，抗震設(shè)防烈度8度以上單體建筑面積1000平方米以上的重點(diǎn)設(shè)防類建筑應(yīng)采用隔震減震技術(shù)。隔震和減震技術(shù)均能有效地減輕地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的影響，二者在工期、造價(jià)、抗震性等方面的對比見表1。

表1 減震與隔震技術(shù)可行性對比

由于提取車間沒有地下室，采用減震技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)性及可行性。

該提取車間屬超長結(jié)構(gòu)，且存在大開洞、錯(cuò)層等不規(guī)則項(xiàng)，為避免成為多項(xiàng)不規(guī)則超限結(jié)構(gòu)，把提取車間劃分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，本文以88～1414軸的結(jié)構(gòu)單元為例，進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。

2 減震方案及布置

消能減震結(jié)構(gòu)主要是通過設(shè)置消能減震器以控制結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的預(yù)期變形，從而達(dá)到不同等級的抗震設(shè)防目標(biāo)。消能減震器分為速度相關(guān)型和位移相關(guān)型兩大類。黏滯阻尼器屬于速度相關(guān)型阻尼器，其耗能能力和速度大小有關(guān)，速度越快相應(yīng)阻尼力越大，耗能作用越明顯。在靜力荷載作用下，黏滯阻尼器不發(fā)揮作用，在動(dòng)力荷載作用下，通過附加阻尼和動(dòng)剛度的共同作用發(fā)揮減震能力。屈曲約束支撐屬于位移相關(guān)型阻尼器，其耗能能力和自身變形相關(guān)，變形越大，其耗能作用越明顯。在靜力荷載和動(dòng)力荷載作用下同時(shí)為結(jié)構(gòu)提供剛度和阻尼[3,4]。

提取車間采用砼框架結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目位于高烈度區(qū)，樓面荷載較大，按傳統(tǒng)的抗震方法計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，框架梁、柱截面過大，超筋較為嚴(yán)重。由于黏滯阻尼器與曲約束支撐相比，不會增加結(jié)構(gòu)剛度，不會使結(jié)構(gòu)周期減小，能夠增加結(jié)構(gòu)阻尼比，有效減少結(jié)構(gòu)地震作用下的反應(yīng)，且施工安裝方便、維護(hù)成本低、建筑構(gòu)造簡單、布置靈活。綜合考慮各方面因素后，決定采用黏滯阻尼器進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)。

2.1 黏滯阻尼器消能減震設(shè)計(jì)原理

黏滯阻尼器一般由缸體、活塞和粘性液體所組成，見圖1所示。

圖1 黏滯阻尼器構(gòu)造圖

缸體內(nèi)裝有粘性液體，液體常為硅油或其他粘性流體，活塞上開有小孔。當(dāng)活塞在缸體內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體從活塞上的小孔通過，對活塞和缸體的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，從而消耗震動(dòng)能量，見圖2所示。

圖2 黏滯阻尼器實(shí)物圖

2.2 減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

如何評估黏滯阻尼器的減震作用，是減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題。在減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，引入附加阻尼比，可以在減震設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)之間建立一座相互連通的橋梁。減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)附加阻尼比來考慮消能減震器的作用，從而確定減震后的地震作用，減震效果可通過減震前后的結(jié)構(gòu)位移、樓層剪力等來體現(xiàn)。

具體設(shè)計(jì)流程為：

(1)確定PKPM軟件中結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，確定黏滯阻尼器參數(shù)和數(shù)量，以及黏滯阻尼器的安裝位置及型式。

(2)計(jì)算設(shè)置黏滯阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

(3)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，復(fù)核附加阻尼比。

(4)罕遇地震作用下，進(jìn)行彈塑性位移驗(yàn)算，對承載力不足的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，最后完成與阻尼器相連的連接構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

2.3 黏滯阻尼器布置方案

《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》JGJ297規(guī)定:阻尼器宜布置在層間相對位移或相對速度較大的樓層，宜使結(jié)構(gòu)剛度沿高度方向均勻，宜使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近[1]。黏滯阻尼器布置主要考慮以下因素：①不影響建筑使用功能和工藝生產(chǎn)要求；②黏滯阻尼器耗能充分；③黏滯阻尼器布置在層間相對位移較大的樓層及部位。

基于以上原則，考慮將黏滯阻尼器布置于位移較大的角部及建筑中部，在1～2層沿兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置黏滯阻尼器12個(gè)，阻尼器參數(shù)詳見表2，阻尼器布置詳見圖3。

表2 黏滯阻尼器技術(shù)參數(shù)表

注：編號命名規(guī)則為方向——樓層(建筑樓層)——減震器型式——序號。例如：X-i-Q-2表示X向第i層墻式黏滯阻尼器2號。

2.4 減震目標(biāo)和性能目標(biāo)

本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的減震目標(biāo)，以及與黏滯阻尼器相連的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的性能目標(biāo)及其設(shè)計(jì)方法見表3、表4。

表3 減震目標(biāo)

表4 性能目標(biāo)及其設(shè)計(jì)方法

3 多遇地震下的彈性時(shí)程分析

3.1 有限元模型驗(yàn)證

本工程采用大型有限元分析軟件SAP2000建立減震與非減震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行計(jì)算與分析。SAP2000模型中使用膜單元模擬樓板，使用連接單元模擬黏滯阻尼器，SAP2000模型和阻尼器連接單元模擬形式如圖4、圖5，彈性時(shí)程分析采用軟件所提供的快速非線性分析(FNA)方法，只考慮阻尼器的非線性，結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性。

圖4 SAP2000模型圖

圖5 阻尼器連接單元模擬圖

為實(shí)現(xiàn)校核結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，分別將SAP2000和PKPM軟件計(jì)算的非減震模型質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角進(jìn)行對比，見表5～表7。

表5 非減震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比(單位：t)

表6 非減震結(jié)構(gòu)周期對比(前三階)(單位：s)

表7 非減震結(jié)構(gòu)地震層間剪力對比(單位：kN)

結(jié)果表明，用于減震分析計(jì)算的SAP2000模型與PKPM模型，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、各層剪力計(jì)算值差異很小，模型一致性較好。

3.2 選取地震波

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011)5.1.2條規(guī)定：彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%[2]。這樣可以保證時(shí)程分析結(jié)果滿足最低安全要求，但計(jì)算結(jié)果也不能太大，每條地震波輸入計(jì)算應(yīng)不大于135%，平均不大于120%。同時(shí)考慮《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則(試行)》中有關(guān)4.1.7條規(guī)定：彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得主體結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，多條時(shí)程曲線計(jì)算主體結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的95%。本工程選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄波和2條人工模擬波，通過計(jì)算對比(詳見表8)，所選波滿足要求。

表8 時(shí)程分析法與反應(yīng)譜法計(jì)算基底剪力對比

3.3 減震效果分析

對比分析減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)模型的層間位移角及層間剪力見表9～表10。

表9 多遇地震下最大層間位移角(1/rad)

表10 多遇地震下層間剪力(kN)

結(jié)果表明在多遇地震下黏滯消能器可提供一定阻尼，結(jié)構(gòu)滿足基底剪力減少15%、層間位移角小于1/610的性能目標(biāo)要求。

3.4 附加阻尼比計(jì)算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011)的第12.3.4條：消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按下式計(jì)算：

式中，ξa為消能減震結(jié)構(gòu)附加有效阻尼比；Wcj為第個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；Ws為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能；Fi為質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；Δuj為第j個(gè)阻尼器兩端的相對水平位移；ui為質(zhì)點(diǎn)對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移；λ1為阻尼指數(shù)的函數(shù)，本工程取值3.70；Fdjmax為第j個(gè)消能器在相應(yīng)水平地震作用下的最大阻尼力。

本工程附加阻尼比計(jì)算見表11、表12，七條波X、Y方向平均值分別為5.33%和7.79%，比設(shè)定的減震目標(biāo)多遇地震作用下附加阻尼比3%大，結(jié)構(gòu)偏安全。

表11 X方向結(jié)構(gòu)附加阻尼比計(jì)算

表12 Y方向結(jié)構(gòu)附加阻尼比計(jì)算

T1波X方向作用下黏滯阻尼器的滯回曲線和減震結(jié)構(gòu)的能量耗散曲線如圖6、圖7所示，可知阻尼器的滯回曲線較為飽滿，阻尼器能夠吸收較多的地震作用，能夠有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

圖6 黏滯阻尼器的滯回曲線

4 罕遇地震作用下的彈塑性分析

4.1 有限元模型建立

本工程采用SAP2000進(jìn)行減震結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析，SAP2000軟件具有強(qiáng)大的非線性動(dòng)力分析功能，能夠準(zhǔn)確分析主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的變形特征及阻尼器在大震下所發(fā)揮的特性。在SAP2000中，使用連接單元damper模擬黏滯阻尼器，主體結(jié)構(gòu)框架梁、柱均定義塑性鉸。彈塑性時(shí)程分析過程考慮材料非線性；采用小變形假定；不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。對于運(yùn)動(dòng)微分方程的求解，選擇程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法，β值取0.25，γ取0.5，α為0。彈塑性時(shí)程分析采用與彈性時(shí)程分析相同的7條地震波，每條波的基底剪力均滿足在反應(yīng)譜65%～135%范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

4.2 減震效果分析

通過分析各組地震波作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件出鉸順序，以R1波為例，X向單向輸入時(shí)在第86步出現(xiàn)梁鉸，第800步出現(xiàn)柱餃，梁鉸先于柱鉸出現(xiàn)，罕遇地震作用下的層間位移角滿足減震目標(biāo)小于1/100，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在地震作用下具有合理的耗能機(jī)制，結(jié)構(gòu)耗能及出鉸順序滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比，滿足“罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比小于0.75”的要求，詳見表12。

表12 大震非減震與減震結(jié)構(gòu)最不利層間位移角(1/rad)比值

阻尼器在罕遇地震作用下的位移和速度均滿足極限速度為最大速度的1.2倍，極限位移為最大位移的1.2倍。最大阻尼力在水平方向上分量之和不大于樓層層間屈服剪力的60%，滿足《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(SJGJ297)中有關(guān)規(guī)定，計(jì)算結(jié)果詳表13。

表13 各層阻尼器最大出力及位移包絡(luò)值匯總表

4.3 減震子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

子結(jié)構(gòu)中支承阻尼器的懸臂墻按大震彈性設(shè)計(jì)，子結(jié)構(gòu)中梁、柱、墻構(gòu)件按重要構(gòu)件設(shè)計(jì)，在罕遇地震作用效應(yīng)和其他荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)下，其值應(yīng)小于構(gòu)件極限承載力。

其中子結(jié)構(gòu)框架柱按壓彎構(gòu)件計(jì)算，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010)第4章及其條文說明第4.1.3條和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011)第M.1.2條第4款，可確定材料的標(biāo)準(zhǔn)值和最小極限強(qiáng)度值，結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010)第6.2.15條，可確定一個(gè)已知柱截面的PMM曲線，提取框架柱在罕遇地震作用下的計(jì)算結(jié)果，可得到框架柱在地震波各個(gè)時(shí)刻受的軸力P和彎矩Mx、My，將P-M值描述在柱截面的PM曲線圖上，就可完成截面配筋設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

通過對采用減震技術(shù)的提取車間進(jìn)行性能分析，黏滯阻尼器在多遇地震下可使基底剪力減少15%，層間位移角小于1/610，結(jié)構(gòu)主體處于彈性，黏滯阻尼器可提供5%左右的附加阻尼；在罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比小于0.75，結(jié)構(gòu)最大層間位移角至少減小50%。罕遇地震作用下構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，框架梁、柱均有塑性鉸出現(xiàn)，且梁鉸先于柱鉸出現(xiàn)，滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求，黏滯阻尼器均滯回耗能，發(fā)揮了良好的耗能能力，為結(jié)構(gòu)主體提供了良好的安全保障。

本工程為高烈度區(qū)重點(diǎn)設(shè)防類工業(yè)廠房，采用黏滯阻尼器的減震設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的抗震建筑相比，減震結(jié)構(gòu)更具有良好的抗震能力，尤其是提高了廠房在罕遇地震下的抗倒塌性能，可為類似工業(yè)建筑減震設(shè)計(jì)提供參考。