對西藏某建筑進行粘滯阻尼墻減震的分析研究*

蔡新宇 李莉斯 孫威宇 高月存

（西藏大學，西藏 拉薩 850000）

西藏是我國地震多發(fā)區(qū)之一，幾乎每月都有不同程度的地震在西藏地區(qū)發(fā)生，偶爾有5級以上地震。西藏自治區(qū)位于歐亞板塊和印度洋板塊碰撞帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動強烈，給人民生命財產(chǎn)安全帶來了巨大的威脅和危害。1950年以來在西藏發(fā)生7 級以上的地震共計5次。近年來，西藏地震活動強度和頻度都有增強趨勢，2000年至今，西藏共發(fā)生5級以上地震38次，其中6級以上地震5次，造成上億元的經(jīng)濟損失。未來一段時間西藏境內(nèi)仍有發(fā)生7級以上地震的可能性。

因此減隔震技術(shù)在西藏拉薩地區(qū)的應(yīng)用對提高建筑物安全性、可靠性、耐久性、具有必要的現(xiàn)實意義。[1]

1 工程基本情況

1.1 建筑情況

本項目單體位于拉薩市，功能主要為幼兒園教學樓。建筑平面圖如圖1所示，該建筑共3層（局部存在突出屋面樓梯間），結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為12.20m。房屋抗震設(shè)防烈度為8度（0.3g），場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第二組，場地特征周期為0.55s，框架抗震等級為一級，結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)為0.75，結(jié)構(gòu)固有阻尼比為0.05，消能支撐目標附加阻尼比為3%。

圖1 建筑物平面圖

1.2 本結(jié)構(gòu)抗震思路

1.2.1 構(gòu)造方面

以強柱弱梁、強剪弱彎的原則貫穿本設(shè)計及以后的施工圖設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)抗震的性能。

1.2.2 采取措施

由于本工程為乙類建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用消能減震設(shè)計，抗震等級框架為一級，其抗震構(gòu)造措施均按規(guī)范要求執(zhí)行，樓梯部分配筋和連接均按規(guī)范要求進行加強。消能減震結(jié)構(gòu)是將消能部件（本工程采用粘滯阻尼墻）布置在填充墻的位置，所以只需要加強與之相連的框架梁、柱，不會影響和改變?nèi)魏谓ㄖδ堋?/p>

2 房屋消能減震設(shè)計

2.1 減震方案的選取

考慮到房屋基本周期與場地特征周期較為接近，剛度型的消能支撐會為結(jié)構(gòu)帶來更多的地震作用，因此本工程選用無靜剛度的粘滯消能支撐。通過粘滯消能支撐附加阻尼作用降低主體結(jié)構(gòu)分擔的地震作用。

2.2 ETABS分析模型驗證

結(jié)合房屋主體結(jié)構(gòu)（ST0）基本信息，建立ETABS分析模型。為驗證該模型的準確性，將ETABS模型和PKPM模型計算所得的質(zhì)量、自振周期進行對比，結(jié)果見表1、表2、表3，表中誤差的計算算法為：誤差=( |PKPM-ETABS|/PKPM )×100%

表1 STO模型質(zhì)量對比

表2 STO模型自振周期對比表2STO模型自振周期對比

表3 STO結(jié)構(gòu)小震作用下層間剪力對比（kN）

由表1、表2和表3可以得出，原結(jié)構(gòu)ETABS模型與PKPM模型在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、計算周期和樓層剪力等方面差異均較小，故可以認為，ETABS模型作為本工程消能減震分析的有限元模型是相對準確的，且能較為真實地反映結(jié)構(gòu)的基本特性。

2.3 選取地震波

根據(jù)抗規(guī)要求，本工程在8度（0.3g）下實際選取了2條天然地震波和1條人工波，見圖2、圖3、圖4。[2]

圖2 人工波1GR1

圖3 天然波1TR1

圖4 天然波2TR2

2.4 減震阻尼器配置方案

本工程采用粘滯消能支撐消能方案。根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)實際情況，結(jié)合實際建筑允許的支撐布置位置，布置粘滯消能支撐。部分消能支撐平面及立面布置圖見圖5、圖6，消能器主要力學參數(shù)見表4。

圖6 粘滯消能支撐立面布置圖

表4 阻尼墻參數(shù)

圖5 一層消能支撐布置示意圖

3 消能減震效果分析

為描述簡單，約定：R0為原結(jié)構(gòu)（ST0）樓層層間位移角；R1為減震結(jié)構(gòu)（ST1）樓層層間位移角；Q0為原結(jié)構(gòu)（ST0）樓層層間剪力；Q1為減震結(jié)構(gòu)（ST1）樓層層間剪力。

3.1 小震下R與Q效果分析

在8度(0.3g)小震作用下，對ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)分別輸入三條地震時程相關(guān)技術(shù)按結(jié)果見表5和表6，間位移角計算結(jié)果表明，在8度（0.3g）小震作用下，ST1結(jié)構(gòu)層間位移角滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》關(guān)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間位移角限值要求，且明顯小于ST0結(jié)構(gòu)；層間剪力計算結(jié)果表明，ST1結(jié)構(gòu)各減震樓層在8度（0.30g）小震時程作用下的層間剪力相比于原結(jié)構(gòu)均有減小，可見消能支撐在多遇地震作用下已承擔了部分地震作用，起到了較好的減震效果。[3]

表5 8度（0.3g）小震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角計算對比結(jié)果（平均值）

表6 8度（0.3g）小震作用下結(jié)構(gòu)層間剪力計算平均結(jié)果值對比

3.2 計算等效阻尼比

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）（以下簡稱《抗規(guī)》）的第12.3.4條：消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按規(guī)范中的（12.3.4-1）、（12.3.4-2）計算，規(guī)范法計算得到的消能支撐小震提供附加等效阻尼比，附加黏滯阻尼器消能支撐小震下可提供X向2.31%和Y向7.28%附加阻尼比?？紤]到消能器性能偏差、連接安裝缺陷等的不利影響，規(guī)范要求在計算附加阻尼比時應(yīng)留有一定的安全儲備，因此建筑物在進行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可取附加阻尼比為2%。

3.3 典型消能器滯回曲線

在結(jié)構(gòu)第1層X向和Y向布置的黏滯阻尼器中，各選取了1個，以其在8度（0.3g）小震作用下的滯回曲線作為代表，來查驗阻尼器的耗能情況，得到的圖像中如果阻尼器在小震作用下的滯回曲線均比較飽滿，則各消能支撐在地震作用下發(fā)揮了應(yīng)有的耗能作用。

4 罕遇地震作用下的消能減震結(jié)構(gòu)彈塑性分析

4.1 罕見地震輸入

本工程選用上面的人工波1、自然波2、自然波3，三條地震波分別對ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的彈塑性時程分析。對ST0和ST1結(jié)構(gòu)分別在人工波1、自然波2、自然波地震波下進行罕遇地震彈塑性時程分析。

4.2 輸入地震波得到的結(jié)果

由對比分析可知，通過增設(shè)消能支撐，較大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷，顯著改善了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。詳情見表7、表8、表9、表10。

表7 X向罕遇地震作用下STO結(jié)構(gòu)層間位移角

表8 Y向罕遇地震作用下STO結(jié)構(gòu)層間位移角

表9 X向罕遇地震作用下ST1結(jié)構(gòu)層間位移角

表10 Y向罕遇地震作用下ST1結(jié)構(gòu)層間位移角

5 結(jié)語

本工程使用ETABS軟件分別對ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)在8度（0.3g）多遇地震作用下進行時程分析，并對結(jié)構(gòu)反應(yīng)進行了對比；采用SAUSAGE軟件對ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)進行了對比分析。具體結(jié)論如下：

（1）在多遇地震作用下，ST1結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)相較于ST0結(jié)構(gòu)已有一定的降低，消能支撐在多遇地震作用下已承擔了部分地震作用，起到了較好的減震效果。本工程建議小震下消能支撐附加阻尼比為2%。

（2）通過罕遇地震下的對比分析，增設(shè)消能支撐后，較大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷，顯著改善了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能；ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角明顯小于ST0結(jié)構(gòu)，且滿足1/50的限值要求，滿足“大震不倒”的要求。

（3）所有罕遇地震時程作用下，框架梁、柱均有塑性鉸出現(xiàn)，且梁鉸先于柱鉸出現(xiàn)，滿足結(jié)構(gòu)強柱弱梁的要求。

（4）子結(jié)構(gòu)作為重要構(gòu)件應(yīng)予以加強，建議對子結(jié)構(gòu)梁、柱全長箍筋加密。同時，墻式消能支撐對應(yīng)位置框架梁頂、梁底縱筋應(yīng)通長設(shè)置。

綜合上述分析可知，本工程采用消能支撐后，房屋總體抗震能力相較于原結(jié)構(gòu)有了較大的提升，房屋具有了良好的抗震耗能機制，提高了結(jié)構(gòu)主體的抗震安全性。