學校結(jié)構(gòu)減震方案研究

宋美珍

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

1 工程概況

本建筑為學校建筑，位于雄安新區(qū)，框剪結(jié)構(gòu)，地上3層，高度為12.2 m。按照雄安新區(qū)相關(guān)要求，學校、醫(yī)院、生命線等關(guān)鍵設(shè)施按基本烈度為8度（0.3g）抗震設(shè)防。場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為二組，場地特征周期為0.55 s。根據(jù)規(guī)范和當?shù)匾?guī)定，本工程為乙類建筑，為重點設(shè)防類。本文從理論研究的角度對此項目進行了減震方案設(shè)計分析。

2 抗震設(shè)計思路

依據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）[1]（以下簡稱《抗規(guī)》）中3.4條，本項目屬于結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，抗震等級為剪力墻一級、框架二級。按規(guī)范要求采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，樓梯通道部分配筋和連接均做相應(yīng)加強。采用減隔震設(shè)計，為了達到消耗地震能量的作用并提升建筑的抗震性能，將消能構(gòu)件布置于建筑物中，結(jié)構(gòu)體系的附加阻尼和附加剛度由消能構(gòu)件的相對速度和相對變形提供，可以降低結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)。結(jié)合建筑使用功能，在填充墻部位設(shè)置消能減震構(gòu)件，對連接的結(jié)構(gòu)框架柱、梁進行加強設(shè)計。

在本項目減震設(shè)計中使用的消能減震構(gòu)件是懸臂墻型剪切阻尼器，布置如圖1所示。由于設(shè)置了懸臂墻型剪切阻尼器后，在多遇地震時阻尼器會產(chǎn)生附加阻尼和附加剛度，通過計算調(diào)節(jié)阻尼器的參數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)的剛度和總阻尼比達到預(yù)計值[2]。經(jīng)過計算分析可知，減震設(shè)計后可以完美解決傳統(tǒng)普通抗震作用計算的相應(yīng)問題，設(shè)置了懸臂墻型剪切阻尼器，也減少了結(jié)構(gòu)體系的混凝土和鋼筋含量，節(jié)約了主材，降低了造價，提高了結(jié)構(gòu)抗震性能和安全性，意義重大。

圖1 剪切阻尼器平面及立面布置

3 減震方案

3.1 基本原則

1）減震方案的抗震目標：多遇地震下結(jié)構(gòu)體系處于彈性狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)非承重構(gòu)件有明顯破壞；罕遇地震下懸臂墻型剪切阻尼器可以正常發(fā)揮其耗能作用。

2）附加阻尼器的減震結(jié)構(gòu)分析主要包括地震作用下的彈性時程分析和彈塑性時程分析。通過在樓層相對速度或相對變形較大的地方設(shè)置阻尼器，為了提升消能構(gòu)件的減震效率，可通過對連接形式的合理利用來提高消能構(gòu)件的相對速度或相對變形來達到[3]。

3）減震設(shè)計時要選擇適合的阻尼器型號，主要是根據(jù)預(yù)計的地震作用、位移限值、減震參數(shù)等，計算出需要的結(jié)構(gòu)體系附加阻尼比和附加剛度來初步選定。極限位移下，消能構(gòu)件的阻尼力對消能子結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件（墻、柱、梁）的截面有影響。此外，需要在罕遇地震作用下保證抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系與懸臂墻型剪切阻尼器的連接處于彈性狀態(tài)[4]。

3.2 設(shè)計思路

為了達到抗震設(shè)防的預(yù)期目標，在附加結(jié)構(gòu)上的懸臂墻型剪切阻尼器可以控制不同抗震設(shè)防下的變形。

懸臂墻型剪切阻尼器是消能減震結(jié)構(gòu)提升抗震性能的最重要因素，那么在減震結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，首先要解決的就是怎樣能模擬出阻尼器的減震作用，而且這種模擬要能滿足工程精度。在原有結(jié)構(gòu)體系中用附加剛度和附加阻尼比作為傳統(tǒng)抗震設(shè)計和減震設(shè)計的媒介，可以將復(fù)雜的減震設(shè)計轉(zhuǎn)化為成熟的傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法。承載力設(shè)計時，阻尼器附加的剛度和阻尼比影響結(jié)構(gòu)的地震作用，導(dǎo)致減震前和減震后的樓層剪力、結(jié)構(gòu)位移不同，提高了結(jié)構(gòu)體系的抗震能力[5]。

其具體設(shè)計內(nèi)容主要包括：

1）確定YJK軟件中反應(yīng)譜分析的等代柱剛度、附加阻尼比，初步選定阻尼器平面布置，選定阻尼器型號、參數(shù)、規(guī)格和數(shù)量；

2）在多遇地震作用時，計算分析在阻尼器的附加阻尼情況下，減震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)：

3）配筋設(shè)計按符合規(guī)范統(tǒng)計意義上的時程平均值來確定，并考慮YJK軟件的計算配筋結(jié)果進行設(shè)計；

4）通過罕遇地震的彈塑性分析，對位移指標、結(jié)構(gòu)出鉸順序進行驗算，滿足構(gòu)件的抗震性能目標，重點設(shè)計與阻尼器連接的部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3.3 剪切阻尼器

如圖2所示，阻尼器內(nèi)力-位移關(guān)系，K0、K1、K為力與位移的斜率，Nmin、Q0和Qy為恢復(fù)力，Dmin為位移極值，陰影面積為結(jié)構(gòu)吸收能量的大小。軟鋼（Mild Steel）阻尼器通常采用低屈服應(yīng)力鋼材制成，是一種較為常用的耗能減震裝置。為了達到結(jié)構(gòu)減震目標，耗散結(jié)構(gòu)中被輸入的能量，軟鋼在風荷載工況或地震作用工況下，會產(chǎn)生塑性屈服滯回變形。軟鋼具有較好的低周疲勞性能和滯回性能。包括扭轉(zhuǎn)梁、彎曲梁和U形鋼等形式。軟鋼可以耗散部分輸入地震能量的原因，是通過給結(jié)構(gòu)施加附加阻尼和剛度，其具有良好的滯回性能。運用軟鋼阻尼器來為結(jié)構(gòu)耗能，比傳統(tǒng)的以抗為主的抗震體系會更加有效，具有良好的應(yīng)用前景和價值。

圖2 阻尼器內(nèi)力-位移關(guān)系

3.4 附加剛度和阻尼比

首先要確定目標，即消能減震結(jié)構(gòu)的需要實現(xiàn)的減震位移目標，根據(jù)這個目標再反算需要提供的附加剛度和附加阻尼比。

根據(jù)《抗規(guī)》相關(guān)規(guī)定，結(jié)構(gòu)的阻尼比+結(jié)構(gòu)的消能構(gòu)件附加有效阻尼比=減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比，結(jié)構(gòu)剛度+消能構(gòu)件附加的有效剛度=減震結(jié)構(gòu)的總剛度。本項目通過軟件的反復(fù)計算對比，計算出在實現(xiàn)位移目標值時，減震結(jié)構(gòu)需要提供的附加阻尼比=結(jié)構(gòu)總阻尼比-結(jié)構(gòu)阻尼比。

3.5 阻尼器的參數(shù)和數(shù)量及安裝位置和型式

為了確定采用的阻尼器數(shù)量，屈服位移和噸位是阻尼器的重要考量參數(shù)，可以通過計算得到的附加阻尼比及附加剛度結(jié)果來選擇。

確定了阻尼器選型，就需要確定阻尼器安裝位置，在平面布置上一般遵循“周邊、分散、均勻、對稱”的原則。為了發(fā)揮阻尼器的最大功效，在結(jié)構(gòu)豎向布置時，先計算分析非減震結(jié)構(gòu)，得到樓層最大間位移角。

布置阻尼器時，不能太集中布置在某個樓層區(qū)域中，當設(shè)計布置的阻尼器過多集中在某一樓層時，可以在下面相臨近的層間位移較大的樓層布置。分析表明，把阻尼器放在下部減震效果相對較好，最好按樓層連續(xù)布置，這樣布置安裝的阻尼器能夠提高減震實際效率和效果。

一般采用較多的為墻式連接安裝形式，以不影響建筑功能為阻尼器安裝的主要原則，如圖3所示。

圖3 典型阻尼器連接示意圖

4 結(jié)論

1）高烈度區(qū)結(jié)構(gòu)為降低結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)，傳統(tǒng)以抗為主的抗震設(shè)計很難達到規(guī)范要求，而且工程造價太大，從指標和經(jīng)濟性出發(fā)，一般均應(yīng)采用減震方案設(shè)計才能達到規(guī)范指標限值。

2）從抗震設(shè)計思路、減震設(shè)計原則、減震設(shè)計內(nèi)容、減震設(shè)計方法和步驟出發(fā)，詳細敘述了與傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法的區(qū)別和聯(lián)系，通過附加剛度和附加阻尼比參數(shù)作為與傳統(tǒng)抗震設(shè)計的橋梁，將減震設(shè)計轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)抗震設(shè)計的計算方式。

3）根據(jù)阻尼器的主要特點和特性，提出了阻尼器的選型方法、阻尼器的參數(shù)和數(shù)量估算、阻尼器的安裝位置和連接型式。還要注意阻尼器的安裝要結(jié)合建筑功能，不能影響建筑功能的使用。