消能減震技術在寧波楊柳郡項目中的應用

徐繼東

消能減震技術在寧波楊柳郡項目中的應用

徐繼東

(華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002)

2016年8月實施的新版《建筑抗震設計規(guī)范》對全國多個地區(qū)的設防烈度進行了調(diào)整，例如寧波地區(qū)由原來的6度設防提高為7度。項目為一地鐵上蓋項目，底部2層大底盤，上部10層框架。底部的2層大底盤已經(jīng)按照6度設防設計并建造完成，而上部的住宅部分續(xù)建時應按照7度設防設計，由此帶來的抗震設防方面的一些問題，例如上部框架結(jié)構(gòu)的抗震指標很難達到現(xiàn)行規(guī)范的要求、基礎的承載力出現(xiàn)不滿足的情況、已建部分出現(xiàn)配筋不足等。為了不影響地鐵檢修車間的使用及避免對基礎的加固，并保證上部結(jié)構(gòu)大震的性能目標，本文通過采用黏滯阻尼器和剪切型金屬阻尼器技術來解決整體結(jié)構(gòu)的抗震問題。

：消能減震；彈塑性分析；黏滯阻尼器；剪切型阻尼器

1 工程概況

本項目位于寧波市，總建筑面積約24萬m2，結(jié)構(gòu)形式為框架體系，其中1～2層為大底盤，劃分為8個區(qū)塊，大底盤的1層為地鐵維修用房(層高10 m)，第二層為停車場(層高4.5 m)，大底盤上有13幢框架結(jié)構(gòu)住宅分布設置，每幢共10層(總高30 m)，結(jié)構(gòu)總高度為44.5 m。目前，整個結(jié)構(gòu)的大底盤已經(jīng)建造完成并投入使用，設計設防烈度為6度(0.05g)?，F(xiàn)在寧波地區(qū)的設防烈度提高到7度(0.1g)，需要對續(xù)建的上部13幢住宅結(jié)構(gòu)按照7度設防進行設計，同時下部2層大底盤也需要按照7度設防進行復核驗算并采取相應的措施，盡量降低工程加固量。

本文選取8個分區(qū)中上部結(jié)構(gòu)最長單體的一個區(qū)塊進行分析，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2 方案分析

本項目設計有以下難點：(1)1層地鐵用房已經(jīng)建設完成并投入使用，需要盡量降低結(jié)構(gòu)的地震力，以避免或盡可能減少對已建結(jié)構(gòu)的加固工程量；(2)上部結(jié)構(gòu)傳到基礎的力應盡量減小，減小結(jié)構(gòu)自重和地震力，以減少下部樁基礎的荷載，確?；A在原設計的安全范圍內(nèi)；(3)上部住宅結(jié)構(gòu)通過兩次轉(zhuǎn)換，把地震力傳給基礎，其中二層轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱已經(jīng)建成，而且設計設防烈度為6度，低于目前設防烈度，避免或盡量減少對已建結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的加固；(4)上部新建結(jié)構(gòu)的柱、梁截面尺寸設計受到較大限制和制約。因此，新建結(jié)構(gòu)的整體計算指標、梁柱構(gòu)件配筋、框架柱截面抗剪承載力等指標均較難滿足規(guī)范限值，同樣需要減小地震力。

圖1 結(jié)構(gòu)模型示意圖

針對本項目的難點采取常規(guī)“硬抗”的抗震方式很難解決問題，不但下部的地震力難以減小，上部結(jié)構(gòu)的抗震性能指標也不能滿足規(guī)范的要求。因此，采用消能減震技術成為解決問題的首選，根據(jù)現(xiàn)有消能減震技術的發(fā)展情況，可以采用隔震方案或減震方案。

2.1隔震技術

(1)優(yōu)點：明顯降低地震作用，對上部和下部的減震效果均比較明顯，地震設防烈度可降低半度。

(2)缺點及限制：應用隔震技術受到隔震層高度的限制，不能為隔震層留出維護和檢查空間，支座安裝比較困難。由于該項目場地為IV類場地，且屬于層間隔震，應用效果并不理想。另外，隔震結(jié)構(gòu)工期較長，造價方面稍高。

2.2屈曲約束支撐技術

(1)優(yōu)點：屈曲約束支撐的剛度和屈服力都比較大，應用在框架結(jié)構(gòu)中可以明顯降低結(jié)構(gòu)的層間位移角，小震一般按彈性設計，產(chǎn)品在中大震下進入屈服狀態(tài)耗能。對上部結(jié)構(gòu)可以明顯降低層間位移角，提高安全度。

(2)缺點及限制：屈曲約束支撐布置方式為斜向布置，給建筑隔墻的砌筑帶來較大困難。屈曲約束支撐的屈服力比較大，對與之相連的結(jié)構(gòu)梁柱受力影響較大，通常需要增加截面尺寸，本項目框架柱、框架梁的截面尺寸受建筑功能的制約較大，可行性較低。上部增加屈曲約束支撐后會明顯提高上部結(jié)構(gòu)的剛度，導致上部地震力的加大，從而下部結(jié)構(gòu)地震力也隨之增加。

2.3黏滯阻尼器技術

(1)優(yōu)點：黏滯阻尼器為速度型阻尼器，一般不考慮其對結(jié)構(gòu)的附加剛度影響，對降低結(jié)構(gòu)的地震力有較大幫助。本項目中可用于相對比較空曠的二層停車庫增加結(jié)構(gòu)的附加阻尼比。

(2)缺點及限制：黏滯阻尼器一般需要定期維護和檢查，對于住宅而言黏滯阻尼器的使用有一定的限制。另外，黏滯阻尼器在大震階段的作用和耗能與金屬型阻尼器相比提高幅度較小，大震的耗能潛力較小。

2.4剪切型金屬阻尼器技術

(1)優(yōu)點：剪切型金屬阻尼器的初始剛度較大，可以在小震時進入屈服，耗能效果較好，既可以為上部結(jié)構(gòu)提供一定的剛度，又可以給整個結(jié)構(gòu)提供一定的阻尼比。產(chǎn)品的厚度較小，放置在隔墻中不影響建筑功能。施工階段可以最后安裝，不影響整體施工進度。

(2)缺點及限制：對建筑的隔墻有一定影響，可能會引起墻體的裂縫，需要采取措施控制產(chǎn)品與墻體之間的縫隙，但與其他類型產(chǎn)品相比，影響較小。

通過以上對比分析，從減震及增加阻尼比的效果、對建筑的影響最小的角度出發(fā)，最終上部住宅結(jié)構(gòu)采用剪切型金屬阻尼器技術，大底盤2層采用黏滯阻尼器技術。

3 減震方案

3.1產(chǎn)品參數(shù)及布置

阻尼器布置如圖2所示，剪切型阻尼器參數(shù)見表1、表2，黏滯型阻尼器參數(shù)見表3。

圖2 阻尼器布置示意圖

表1 X向剪切型阻尼器參數(shù)

表2 Y向剪切型阻尼器參數(shù)

表3 黏滯阻尼器參數(shù)

3.2附加阻尼比計算

附加阻尼比計算采用《建筑抗震設計規(guī)范》及《消能減震技術規(guī)程》中的方法進行。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》12.3.4的要求，消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比為：

(1)

式中：ζa—消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；Wcj—第j個消能部件在結(jié)構(gòu)預期層間位移Δuj下往復循環(huán)一周所消耗的能量，即滯回曲線的面積；Ws—設置消能部件的結(jié)構(gòu)在預期位移下的總應變能。

單個剪切型阻尼器的耗能面積根據(jù)平行四邊形法則求出，如圖3所示。具體計算公式為：

Wcj=As=4A1

(2)

單個非線性黏滯型阻尼器在水平地震作用下往復一周所消耗的能量，按照《建筑消能減震技術規(guī)程》6.3.2條計算：

Wcj=λ1FdjmaxΔuj

(3)

式中：Wcj—第j個阻尼器的耗能；λ1—阻尼指數(shù)的函數(shù)，可按《建筑消能減震技術規(guī)程》表6.3.2取值。其中：α=0.25時取3.7，α=0.5時取3.5，中間的按線性差值；Fdjmax—第j個阻尼器在相應水平地震作用下的最大阻尼力；Δuj—第j個阻尼器在相應水平地震作用下兩端的相對位移。

圖3 阻尼器耗能面積計算圖

總應變能Ws=(1/2)ΣFiui，其中Fi為質(zhì)點i的水平地震作用標準值；ui為質(zhì)點i對應于水平地震作用標準值的位移。

另外，根據(jù)《建筑消能減震技術規(guī)程》規(guī)定：采用時程分析，計算消能器附加阻尼比時，消能器兩端的相對水平位移Δudj、質(zhì)點i的水平地震作用標準值Fi、質(zhì)點i對應于水平地震作用標準值的位移ui采用分析結(jié)果的包絡值。

根據(jù)以上原理計算得到結(jié)構(gòu)的附加阻尼比見表4。

表4 結(jié)構(gòu)附加阻尼比計算結(jié)果

注：能量的單位為kN·mm。

4 大震彈塑性分析

4.1分析模型

采用ABAQUS進行大震彈塑性分析，其中黏滯阻尼器采用單元，金屬阻尼器采用雙線性模型。本工程設防地震及罕遇地震分析采用5組天然波和兩組人工地震波，多遇地震波選用1條人工波。設防地震及罕遇地震波均采用三向輸入(1 ∶0.85 ∶0.65)。地震波輸入時長均滿足第一周期5～10倍的要求。

4.2分析結(jié)果

4.2.1 整體指標

每組地震波作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角如表5所示。

表5 彈塑性層間位移角最大值

由表5可知：X方向的層間位移角平均值為1/76；在4層位置，Y方向的層間位移角平均值為1/98。該結(jié)構(gòu)在X、Y兩個方向最大層間位移角均滿足層間位移角≤1/50的限值要求。不同地震波組對應的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角曲線見圖4。

圖4 層間位移角曲線

4.2.2 阻尼器耗能

在罕遇地震作用下，剪切型阻尼器全部進入屈服，產(chǎn)生良好的耗能效果。典型耗能滯回曲線如圖5所示。

圖5 阻尼器典型滯回曲線

圖6和圖7為A2波X主方向和L5806波X主方向輸入時的能量耗散情況。

圖6 A2波作用下能量耗散圖 圖7 L5806波作用下能量耗散圖

5 結(jié)論

本項目中通過黏滯阻尼器的耗能和剪切型阻尼器消耗了地震能量，降低了地震力，并有效保護框架構(gòu)件，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減震的目的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)已建成的既有結(jié)構(gòu)在小震作用下的設計指標可以滿足規(guī)范的相關要求，基礎不需要采取加固措施。上部續(xù)建的住宅部分在總阻尼比取9%(5%+0.8*5%=9%)的情況下整體指標即可滿足7度設防的要求，有效控制了上部結(jié)構(gòu)的截面尺寸和自重。

(2)整體結(jié)構(gòu)的大震性能指標得到明顯提升，結(jié)構(gòu)的整體指標滿足大震下的性能指標要求，并有一定的安全余量；轉(zhuǎn)換構(gòu)件的性能基本可以達到輕微損壞狀態(tài)，只有少數(shù)達到中度損壞狀態(tài)。

(3)小震作用下黏滯阻尼器和底部樓層的剪切型阻尼器進入耗能狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)提供一定附加阻尼比；大震作用下阻尼器發(fā)揮效果明顯，消耗的地震能量占地震輸入總能量的20%～26%。阻尼器的設置達到了設計的預期目標。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑抗震設計規(guī)范：GB50011-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.消能減震技術規(guī)程：JGJ297-2013[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑消能阻尼器：JG/T209-2012[S].北京：中國標準出版社，2012.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程：JGJ3-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5] 高承勇,張家華.建筑結(jié)構(gòu)中阻尼器消能減震設計關鍵技術的探討[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39( 5): 18-22.

[6] F Emergency,M Agency.Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings[S].Federal Emergency Management Agency,Washington,D.C.,2000.

[7] 陳清祥,潘琪,呂西林,等.等值線性分析方法于消能減震加固技術上的應用探討[J].結(jié)構(gòu)工程師,2005,21(s): 383-388.

[8] 陳清祥,潘琪.靜力分析方法在消能減震結(jié)構(gòu)分析中的應用[J].防災減災工程學報,2012,32(4):436-443.

ApplicationofenergydissipationtechnologyinNingboYangliujunproject

XU Ji-dong

(EastChinaArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.Ltd.,Shanghai200002,China)

In August 1,2016,a new version of THE CODE FOR SEISMIC DESIGN OF BUILDINGS was carried out and the fortification intensity in many areas of the country were adjusted.For example,the original 6-degree fortification increased to 7 degrees in Ningbo where the project is located in.The project is a subway project with 2 floors at the bottom and 10 floors at the top.The structure form is frame structure.The 2 floors at the bottom have been designed and constructed in accordance with a 6 degree fortification,while the residential part of the upper part of the construction should be designed in accordance with the intensity of 7 degree.Thus some problems caused in the seismic design,for example,the seismic behavior of the upper structure cannot meet the requirements of the specification in the case of limited sections; in order not to affect the use of the maintenance workshop of the subway,the reinforcement of the bottom structure and foundation should be avoided.The conversion component between the superstructure and the substructure has to meet certain performance objectives,etc.In this paper,the viscous damper and steel shear plate damper technology are used to solve the seismic response of the whole structure.

energy dissipation; elastic and plastic analysis; fluid viscous damper; steel shear plate damper

2017-04-15

國家自然科學基金項目(51478356)

徐繼東(1980—)，男，山東泰安人，碩士，工程師。

1674-7046(2017)03-00038-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.008

TU198

：A