湛华， 高勇
（云南省设计院集团，昆明650228）
[摘要] 对保山市人民医院高层住院楼的隔震与减震设计方案进行了分析比选，并介绍设置消能墙的减震设计方法。结果表明，在多遇地震下，结构层间变形较小，消能器处于弹性工作阶段，主要作用为给主体结构提供一定的附加刚度；在设防地震及罕遇地震下，结构层间变形较大，消能器先于主体结构发生屈服，从而进入弹塑性工作阶段，能利用软钢剪切变形耗散地震能量，从而降低结构的地震响应，提高结构的安全储备，同时具有较好的经济效益。
[关键词] 消能减震设计；消能墙；动力弹塑性分析
1 工程概况
保山市人民医院高层住院楼地下2层，地上15层，总结构高度为58. 8m，总建筑面积为61 40lm2，住院楼立面见图1。上部结构为框架·抗震墙结构体系，抗震设防烈度为8度(0.2g)，设计地震分组为第三组，场地土类别Ⅱ类，场地特征周期为0. 45s，建筑抗震设防分类为乙类，结构安全等级一级，结构的设计使用年限为50年。根据《建筑工程抗震设防分类标准》( GB 50223-2008)规定，本工程应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求，加强结构的抗震措施，同时应按本地区抗震设防烈度确定结构的地震作用。
2 消能减震设计与隔震设计方案比选
该工程属乙类建筑，对抗震安全性和使用功能有较高要求，故需采用消能减震或隔震设计。首先采用隔震设计方案进行分析，通过输入1条人工波和2条实测地震波（Taft波、USA00297波）进行弹性时程分析，得出隔震时各层层间剪力及各层倾覆力矩与非隔震时的最大比值为0. 373。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（简称抗规）第12.2.5条，确定考虑隔震后水平地震影响系数最大值amax．=rBamax／沙=0.074 6，综合考虑取0.08。
因本工程建筑使用功能要求，结构平面长宽比为6. 78，且不能设置防震缝，已经超过《高层建筑混凝土结构设计规范》( JGJ 3-2010)（简称高规）第3.4.3条规定5.0的限值。另外，考虑隔震影响后，y向的最大层间位移与平均层间位移的比值为1. 52，远大于抗规要求的1.2的限值。若要满足结构位移比及周期比的要求，须增加结构抗扭刚度，将抗震墙尽可能向两端布置。经计算分析，两端抗震墙需要的长度较长（最大长度达到8. 58m），虽然满足了位移比的要求，但剪力墙过长会导致其延性较差，不利于结构抗震。
分析发现，抗震墙的底部出现了较大的拉应力，大大超过隔震橡胶支座所能承受的极限值( lMPa)，隔震橡胶支座基本无法布置。而消能减震设计则是在上部结构设置消能墙，小震下仅提供侧向刚度（不耗能）；大震下阻尼器进入屈服耗能状态，能大幅提高结构抗震性能和抗倒塌性能，故本工程适宜选用消能减震设计方案。消能减震设计具有以下优点：1）消能墙可以结合建筑功能布置，不影响建筑使用；2）相比隔震技术在项目中更易于调整结构整体抗侧刚度、扭转不规则等不利情况；3）避免了因增加隔震层而导致的设备管线、电梯、楼梯等特殊处理的要求；4）目前大部分地区对于隔震层需要单独计算建筑面积，为此采用减震相当于增加了一层使用面积；5）易于维护，对于防火、防腐等具有明显优势；6）平时无需特殊维护或保养，不承担竖向荷载，即使特殊情况下遭到破坏不会影响结构整体安全。
3 消能减震设计
框架一抗震墙体系中，消能减震构件可采用剪切型金属阻尼器，通过混凝土抗剪墙与主体结构连接形成延性消能墙（图2），本工程采用的剪切型金属耗能器，芯材采用Ql00软钢，屈服强度为(100±25) MPa，屈服承载力为500kN，屈服位移为1.5mm，极限变形能力为40mm，本工程阻尼器与梁、混凝土采用螺栓连接，此连接方式便于后期更换（如大震后更换），但不利之处在于施工时预埋套筒与钢筋施工穿插较复杂。
对于与阻尼器直接相连的框架梁、框架柱和抗震墙，在前述3条地震波作用下，采用动力弹塑性时程分析分别提取消能子结构的内力，根据《建筑消能减震技术规程》( JGJ 297-2013)的规定，对重要构件进行了承载力的复核，各主要构件的抗震性能目标如表1所示。地震作用效应和其他荷载作用效应均取标准值，不考虑各作用的分项系数、承载力抗震调整系数和内力调整系数，材料强度取极限值。验算结果表明，本工程的消能减震子结构均满足规范规定要求，可保证阻尼器在大震作用后能继续工作。为更好地发挥消能减震构件的作用，延性消能墙应布置在结构变形较大的部分，本工程每层X，y向分别布置10组和7组延性消能墙（图3）。
4 计算分析
4.1小震下结构分析
为保证计算分析的可靠性，本工程采用了PKPM和ETABS两种计算软件进行计算分析。用PKPM软件分析时，在保证结构整体刚度及动力特性前提下，采用等效墙对消能墙进行模拟，即用一片两端与框架柱脱开的混凝土墙体模拟消能墙的抗侧刚度，通过对消能墙与混凝土墙体刚度等效来模拟消能墙在主体结构中的刚度作用。用ETABS软件分析时，将阻尼器单元定义成Wen塑性单元，即双折线模型，得出消能墙非线性的力．变形关系，并参与整体结构计算分析。两种软件计算结果十分接近，最大层间位移角、底层剪力及剪重比输出结果对比如表2所示。
4.2小震下计算结果分析
在小震下，设置消能墙与不设置消能墙的各项指标较为接近，说明设置消能墙仅能起到提供刚度的作用，具体计算结果见表3。
4.3大震下动力弹塑性分析
大震下，选取前文所述的3条地震波作为动力弹塑性分析的输入，其中主次方向（X，Y向依次作为主次方向）输入峰值加速度比为1：0. 85，根据高规，主方向波峰值加速度取400gal，结构最大层间位移角见表4。
图4给出了X，Y向地震波输入下各层结构的层剪力及倾覆力矩的分布，每条时程曲线计算所得底部剪力均能满足抗规要求。表5给出了结构基底剪力峰值及其剪重比统计结果，各工况输入下结构地震反应剪重比约为0. 18~0.42。经计算分析，消能墙耗能占总地震输入能量比例约为20%，大震时阻尼器明显屈服，耗能性能显著，可以给主体结构提供附加阻尼。消能墙变形在结构中下部较大，即在结构层间变形大处消能墙的工作效率高，在结构底层及顶层层间位移较小处消能墙屈服耗能变形的程度较轻。大震下消能墙最大变形量为16. 88mm，小于消能墙最大变形能力( 40mm)。
4.4大震下计算结果分析
在大震作用下，为对比设置消能墙在结构中发挥的作用，将不设置与设置消能墙的结构计算分析结果进行对比（表6），可以看出，不设置消能墙的结构已不能满足抗规对大震下结构的变形要求。
4.5消能减震设计经济性分析
通过设置消能墙使结构满足了抗规中关于小震及大震的验算要求，墙式剪切型金属抗震阻尼器共计255组，费用约为80元/m2（含产品、连接节点、埋件、安装及检测费用）。为分析该方法的经济性，采用增大构件截面法与之进行对比分析。表7给出了两种方法的最大构件截面尺寸对比情况。
5 结语
结合保山市人民医院高层住院楼工程，将隔震设计方案与减震设计方案进行了比选，分析得出用减震设计能较好地解决高层结构长宽比超限所引起的扭转问题。并介绍了采用消能墙减震技术来解决小震及大震下高层框架·抗震墙结构验算难以满足规范要求的问题。结果表明，消能墙在框架一抗震墙结构中可以有效地在小震下为结构提供刚度，在大震下消耗地震能量，且具有较好的经济性，施工技术成熟，可供类似工程参考。
