某高烈度地區(qū)建筑被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)分析

劉文文

(中鐵四院西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南昆明 650206)

0 引言

地震是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，而中國(guó)是地震頻發(fā)國(guó)，唐山地震、汶川地震等等一系列大地震產(chǎn)生的震動(dòng)從力度、能量、破壞、災(zāi)害諸方面來(lái)說(shuō)都是最嚴(yán)重的，給人們也帶來(lái)了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，并且留下了難以磨滅的災(zāi)難。傳統(tǒng)建筑抗震技術(shù)是利用結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的承載力以及變形能力來(lái)抵御地震作用，吸收地震能量，立足于“抗”，以滿(mǎn)足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)［1］。但是這種通過(guò)以剛克剛的“硬抗”途徑會(huì)形成結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用越強(qiáng)的惡性循環(huán)，既不經(jīng)濟(jì)，也不一定安全。

結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)就是一項(xiàng)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)抗震新技術(shù)，它不是采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，而是通過(guò)設(shè)置減震裝置來(lái)控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)響應(yīng)，從而有效地保護(hù)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的安全，既可以滿(mǎn)足建筑功能的要求，還可以明顯提高結(jié)構(gòu)的抗震性能［2］，尤其對(duì)于位于地震高烈度區(qū)的學(xué)校教學(xué)用房及宿舍、醫(yī)院、通信、電力及交通樞紐等重大工程、生命線(xiàn)工程，采用減震技術(shù)的優(yōu)越性更為明顯。因此本文采用ETABS軟件對(duì)設(shè)置非線(xiàn)性粘滯流體阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)的減震效果進(jìn)行研究。

1 工程概況

本工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，共7層，建筑總高度為25.5 m。其中，一層的層高為3.9 m，其余樓層的層高均為3.6 m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)柱、梁為C40，板C30?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)(學(xué)校教學(xué)用房)，抗震設(shè)防烈度8度，基本地震加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.35 s，地面粗糙度為B類(lèi)，抗震等級(jí)為框架一級(jí)。

在PKPM計(jì)算的反應(yīng)譜工況下，結(jié)構(gòu)X方向地震作用下的最大層間位移角為1/471;X向雙向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/451;結(jié)構(gòu)Y方向地震作用下的最大層間位移角為1/485;Y向雙向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/462;結(jié)構(gòu)層間位移角最大值大于規(guī)范限值1/550，由于受到建筑等相關(guān)專(zhuān)業(yè)要求，無(wú)法再通過(guò)增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面來(lái)滿(mǎn)足規(guī)范要求，因此單純依靠“硬抗”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，無(wú)法滿(mǎn)足該工程的抗震設(shè)計(jì)要求。只能改成增設(shè)較多數(shù)量的剪力墻，相應(yīng)的造價(jià)將增加20%左右，最終導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上負(fù)擔(dān)過(guò)重。因此本工程采用設(shè)置非線(xiàn)性粘滯流體阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)體系，在滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，能夠節(jié)省工程造價(jià)，經(jīng)濟(jì)性較好。

2 減震裝置的布置

根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以及提供的建筑設(shè)計(jì)圖、結(jié)構(gòu)布置圖以及相關(guān)設(shè)計(jì)分析模型與結(jié)果，決定在本工程適當(dāng)位置沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向分別設(shè)置粘滯阻尼器，其數(shù)量、型號(hào)、位置通過(guò)多輪時(shí)程分析進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后確定，從而顯著降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

粘滯阻尼器的參數(shù)取值見(jiàn)表1。

減震裝置各樓層布置見(jiàn)表2。

其中，非線(xiàn)性粘滯阻尼器力—變形關(guān)系為:

式中:C——阻尼系數(shù);

˙u——阻尼器變形速率;

α——阻尼指數(shù)。

表1 阻尼器參數(shù)

表2 粘滯阻尼器樓層布置情況

3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的時(shí)程響應(yīng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)分析模型的建立

本文采用CSI公司的ETABS軟件進(jìn)行多遇地震作用下結(jié)構(gòu)減震效果分析，在ETABS彈性結(jié)構(gòu)分析模型中，采用空間桿系單元模擬框架梁、柱構(gòu)件，樓板采用膜單元模擬，粘滯阻尼器采用Damper單元模擬［3］。為驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性，并檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震性能，分別采用SATWE程序。表3，表4分別是兩個(gè)軟件的模態(tài)及樓層剪力計(jì)算結(jié)果。對(duì)比分析結(jié)果，可以看出ETABS和PKPM周期及樓層剪力計(jì)算結(jié)果非常相近，因此可以認(rèn)為采用ETABS建立的模型是可靠的。

表3 ETABS和PKPM模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比(前10階模態(tài))

表4 ETABS和PKPM反應(yīng)譜分析所得的各層剪力比較

3.2 時(shí)程分析地震波的選用

我國(guó)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定，在彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線(xiàn)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%。根據(jù)本工程場(chǎng)地類(lèi)別和地震分組，現(xiàn)選擇USER845波、USER656波和USER361波作為地震動(dòng)輸入進(jìn)行時(shí)程分析，其中USER656波、USER361波為天然波，USER845波為根據(jù)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地模擬的人工波。各條輸入地震波峰值在計(jì)算時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求分別調(diào)整到8(0.2g)度，時(shí)程長(zhǎng)度選取20 s，多遇地震計(jì)算時(shí)加速度峰值70 cm/s2，計(jì)算結(jié)果也滿(mǎn)足規(guī)范的要求。

3.3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)減震效果分析

表5，表6分別為結(jié)構(gòu)X向、Y向減震前、減震后的層間剪力，通過(guò)計(jì)算可以知道減震后結(jié)構(gòu)的層間剪力平均值比減震前減少了30%左右，其層間剪力減震率約為30%，這表明粘滯阻尼器具有很好的耗能減震作用，設(shè)置了粘滯流體阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在地震作用下具有很好的抗震性能。

表5 X向?qū)娱g剪力對(duì)比 kN

表6 Y向?qū)娱g剪力對(duì)比 kN

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)采用了粘滯流體阻尼器消能減震技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)在8(0.2g)度多遇地震荷載作用下的減震前和減震后工作性能分別進(jìn)行了計(jì)算分析，采用粘滯流體阻尼器對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)是可行的，粘滯流體阻尼器能夠有效的消耗地震輸入的能量，結(jié)構(gòu)的震動(dòng)相應(yīng)有著明顯的降低，結(jié)構(gòu)的安全性能有顯著的提高。特別是在高烈度地區(qū)，由于地震作用非常大，如果按照傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面將非常大，而采用粘滯流體阻尼器的減震結(jié)構(gòu)能夠有效的降低地震反應(yīng)，在不降低結(jié)構(gòu)安全性的前提下，能夠比較合理的減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，不失為一種合理的設(shè)計(jì)方法。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］周 云.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2006:173-177.

［3］北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.ETABS中文版使用指南［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.