某教學(xué)樓采用粘滯阻尼器的消能減震設(shè)計

侯 志 菡

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

某教學(xué)樓采用粘滯阻尼器的消能減震設(shè)計

侯 志 菡

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

以高烈度區(qū)某教學(xué)樓工程設(shè)計為例，依據(jù)建筑使用功能和抗震要求，該建筑物采用粘滯阻尼器的消能減震設(shè)計方案，時程分析結(jié)果表明，粘滯阻尼器可大量耗散地震動能量并顯著降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

消能減震設(shè)計，框架剪力墻，粘滯阻尼器，時程

隨著社會與經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，我國對于地震重點危險區(qū)的學(xué)校和幼兒園新建教學(xué)用房必須采用減隔震技術(shù)。本文以太原市某工程實例為依據(jù)，探討了減隔震技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用與設(shè)計。

1 工程概況

本工程位于太原市，主要功能為培養(yǎng)視障類殘疾人為主的公辦職業(yè)技能學(xué)校。結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，總高度36.400 m，地上8層、地下1層。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度：8度；設(shè)計基本地震加速度：0.20g；設(shè)計地震分組：第一組；抗震措施：按9度；場地類別：Ⅲ類；建筑抗震設(shè)防類別：重點設(shè)防類(乙類)；抗震等級：框架一級，剪力墻一級；安全等級：二級；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級：乙類；設(shè)計使用年限：50年。

在這個項目具體設(shè)計中，為了滿足各個相關(guān)規(guī)范的要求，梁柱等構(gòu)件截面取值整體偏大，雖然滿足了各項設(shè)計指標(biāo)，但是主體結(jié)構(gòu)的自重及含鋼量較大、結(jié)構(gòu)整體比較臃腫；于是，在滿足各項規(guī)范前提的條件下，自上而下對承重構(gòu)件截面柱、梁進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型整體剛度降低，自重減小，整體剛度降低的同時增加了阻尼比，從而達(dá)到了結(jié)構(gòu)在地震中不破壞、震后能保證使用的目的。

2 消能減震方案的選擇

阻尼是結(jié)構(gòu)對能量消耗的程度，它來自兩個方面：固有阻尼和外加阻尼。固有阻尼由結(jié)構(gòu)的材料、裝飾、基礎(chǔ)及構(gòu)架等組成，很難計算得出。外加阻尼近年來常用的形式見表1。

阻尼有助于減少結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下的共振響應(yīng)，增大結(jié)構(gòu)的阻尼比會降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，現(xiàn)在常用的辦法是通過設(shè)置外置阻尼器來增大結(jié)構(gòu)的阻尼，較大的外加阻尼可以大大的減小地震作用，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)的可靠度。設(shè)置阻尼器建筑物結(jié)構(gòu)的總體剛度是結(jié)構(gòu)本身的剛度和消能減震部件有效剛度相加之和，總阻尼比也是結(jié)構(gòu)本身提供的阻尼和消能減震部件附加給結(jié)構(gòu)有效阻尼相加之和。

表1 外加阻尼常用形式

消能減震選取方案分為兩部分:1)阻尼器的種類選取。2)阻尼器的樓層分布。核心思想是根據(jù)結(jié)構(gòu)自身的剛度、構(gòu)造特點提高外加阻尼器的使用效率。

阻尼器設(shè)計布置應(yīng)符合下列要求：

1)本工程減震建筑之要求為在多遇地震下，其建筑主體結(jié)構(gòu)仍保持彈性，且非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無明顯損壞；在罕遇地震考慮下，其減震阻尼器系統(tǒng)仍能正常發(fā)揮功能。 2)本工程減震設(shè)計依據(jù)預(yù)期的水平向地震力和位移控制要求等參數(shù)，選擇適當(dāng)數(shù)目的阻尼器，并配置在適當(dāng)?shù)奈恢谩?3)阻尼器配置在層間相對位移或相對速度較大的樓層，條件允許時應(yīng)采用合理形式增加消能器兩端的相對變形或相對速度，以提高消能器的減震效率。4)消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計時按各層消能部件的最大阻尼力進(jìn)行截面設(shè)計，與阻尼器相連接的支撐連接板及相關(guān)梁柱節(jié)點的強度設(shè)計都應(yīng)取各阻尼器設(shè)計出力值的1.2倍作為外荷載標(biāo)準(zhǔn)值來進(jìn)行強度校核，同時應(yīng)考慮阻尼器所提供的外力作用效應(yīng)來驗算相鄰梁柱的強度，并適當(dāng)采取一些補強措施。5)對含減震阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，包含不同地震考慮下的結(jié)構(gòu)彈塑性分析。 6)與阻尼器支撐相連接構(gòu)件或接合構(gòu)件需適當(dāng)設(shè)計使其在罕遇地震作用下仍維持彈性或不屈狀態(tài)。 7)阻尼器及支撐的布置應(yīng)基本滿足建筑使用上的要求，并盡量對稱布置，為了保護(hù)阻尼器的耐久性，可采用輕質(zhì)強度低的防火材料作隔板把阻尼器包裹在隔墻中間。

為綜合分析該房屋的基本信息，本論文分別利用PKPM分析軟件和ETABS分析軟件對房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模計算和結(jié)果對比分析。綜合計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)ETABS模型與SATWE模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、計算周期和地震剪力的差異較小，由此可以認(rèn)為，ETABS模型作為本工程消能減震分析的有限元模型是相對準(zhǔn)確的，且能較為真實地反映結(jié)構(gòu)的基本特性。

在本工程減震設(shè)計中，為確保新結(jié)構(gòu)層間剛度平穩(wěn)變化，以避免生成新的薄弱層，決定將消能支撐體系逐層緩變地安裝在原結(jié)構(gòu)上，擬附加消能減震支撐具體數(shù)量的確定主要以原結(jié)構(gòu)(PKPM模型)的各層間剪力和位移角作為依據(jù)，經(jīng)反復(fù)分析計算及優(yōu)化設(shè)計后，全樓共設(shè)置41套粘彈性阻尼器如表2所示。

表2 樓層粘彈性阻尼器設(shè)置表

采用非線性時程分析法進(jìn)行消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能分析和減震效果評價，并與振型反應(yīng)譜分析法進(jìn)行比較。時程波采用選取的5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.2的要求。對于多遇地震和罕遇地震工況輸入同一時程，只是調(diào)整其峰值加速度，8度分別為70 cm/s2，400 cm/s2。為便于分析比較，將分析結(jié)構(gòu)分為如下兩種結(jié)構(gòu)狀態(tài)：結(jié)構(gòu)1(ST0)為不設(shè)阻尼器的主體結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)2(ST1)為增設(shè)阻尼器后的主體結(jié)構(gòu)。

對于多遇地震作用下的彈性工況分析基于ETABS軟件進(jìn)行，其中彈性時程分析采用軟件所提供的快速非線性分析(FNA)方法(即只考慮阻尼器的非線性、結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性)，并進(jìn)行多次分析迭代。分析內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)減震前后的層間剪力及層間位移角對比、阻尼器在多遇地震下的實際等效附加阻尼比計算和滯回耗能分析等。

對于罕遇地震的工況分析基于PERFORM-3D軟件進(jìn)行，主要分析內(nèi)容包括：罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能的分析、結(jié)構(gòu)減震前后屈服機(jī)制和非線性狀態(tài)的對比、附加粘滯阻尼器的設(shè)計承載力和設(shè)計行程校核，以及附加人字形鋼支撐的剛度設(shè)計等。

3 結(jié)構(gòu)消能減震分析計算

1)周期見表3。

表3 周期表

2)層間位移角最大值見表4。

表4 層間位移角最大值

3)樓層最大位移見表5。

表5 樓層最大位移

4 結(jié)語

使用ETABS對普通結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)在8度(0.2g)地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析和時程分析，分析了多遇地震作用下和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，通過對比分析表明結(jié)構(gòu)采用消能減震設(shè)計方案具有良好的效果和獨特的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)附加粘滯阻尼器減震設(shè)計后主體結(jié)構(gòu)部分的抗震安全性大大提高，消能減震設(shè)計是可行有效的。考慮到樓梯部件屬于重要的生命通道，在災(zāi)時應(yīng)保持其通暢性和安全性，且其實際受力狀況比較復(fù)雜，在本工程中采用“放”的做法，即在樓梯平臺部位設(shè)置滑移支座，使其不參與結(jié)構(gòu)整體受力，因此本工程的建模分析計算也未考慮樓梯的參與作用設(shè)置粘滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下呈現(xiàn)“強柱弱梁”的塑性鉸發(fā)展機(jī)制，且在帶阻尼器—支撐立面上主體結(jié)構(gòu)部分的塑性發(fā)展程度也比較小，這表明主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠得到有效控制和改善，從而使得整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，更有利于實現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 李春和，張義元.超高層建筑結(jié)構(gòu)減小地震作用的方法[J].減震技術(shù)，2014(2):13-17.

Energy dissipation and seismic design of the teaching building with viscous damper

Hou Zhihan

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

Taking the teaching building engineering in high intensity area as an example, according to architectural usage functions and seismic demands, the paper applies energy dissipation and seismic design of the viscous damper in the building. The time-histories analysis results show that: viscous damper can dissipates seismic energy and reduce seismic response as well.

energy dissipation and seismic design, frame shearing wall, viscous damper, time-histories

2014-12-16

侯志菡(1981- )，女，工程師

1009-6825(2015)06-0032-02

TU244

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