減隔震系統(tǒng)在建筑工程中的應(yīng)用
——以廣東省應(yīng)急指揮中心建設(shè)工程為例

于成明，徐政宇，陳波，劉雍

（中建科技集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

減震隔震技術(shù)是預(yù)防和減輕地震災(zāi)害的重要措施，能較好地提高建筑工程抗震設(shè)防能力。因建筑物所屬地域的不同，重要性的差異，全國各地對(duì)建筑物的抗震要求有所不同。近年來，一些?。ㄊ校╊C布了各自的地方性法規(guī)，以法律規(guī)范明確了建筑工程采用減隔震技術(shù)的范圍，明確了政府及有關(guān)部門的職責(zé)和減隔震建筑工程設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收、檢測、使用維護(hù)等各方主體的責(zé)任，對(duì)各個(gè)實(shí)施環(huán)節(jié)都做了明確規(guī)定，以保障減隔震建筑工程的質(zhì)量，不斷提高建筑工程的抗震設(shè)防質(zhì)量水平。

目前，采用減隔震的建筑工程越來越多，減隔震技術(shù)越來越受重視。廣東省應(yīng)急指揮中心項(xiàng)目所采用的減隔震系統(tǒng)比較有代表性，采用了層間的屈曲約束支撐(BRB)與摩擦-金屬屈服復(fù)合阻尼屈曲約束支撐（FBRB）組合減震技術(shù)，以及樓板TMD 及附加懸掛TMD 的多重調(diào)諧阻尼布置方案（MTMD），本文針對(duì)BRB 系統(tǒng)在此項(xiàng)目中的應(yīng)用進(jìn)行簡單介紹。

2 項(xiàng)目介紹

廣東省應(yīng)急指揮中心項(xiàng)目位于廣州市越秀區(qū)，是省政府應(yīng)對(duì)全省各類重特大突發(fā)事件的總指揮部，集應(yīng)急值守、信息接報(bào)、監(jiān)測預(yù)警、會(huì)商決策、指揮調(diào)度、處置救援、社會(huì)動(dòng)員、救災(zāi)復(fù)產(chǎn)、綜合協(xié)調(diào)為一體的指揮樞紐。建筑為結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系。項(xiàng)目建筑面積13677 m2，建筑長度為61.2 m，寬度為47.9 m，單跨跨度為26.3 m，建筑高度30 m。首層及設(shè)備夾層層高均為4.2 m，建筑面積為3873 m2；二層及設(shè)備夾層層高均為4.5 m，建筑面積為3 797 m2；三層層高為4.2 m，建筑面積為2440 m2；四層層高為3.9 m，建筑面積為1 711 m2；五層層高4 m。項(xiàng)目采用裝配式建筑，預(yù)制構(gòu)件包括鋼柱、鋼梁、鋼支撐、鋼樓梯、鋼筋桁架樓承板、ALC隔墻板板，裝配率91%，為AAA 級(jí)裝配式建筑，是廣州市裝配率最高的一個(gè)項(xiàng)目?？紤]應(yīng)急指揮中心的使用需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提高其抗震性能，結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防烈度8 度（0.20g）設(shè)計(jì)。減振方案采用多階段耗能（小、中、大震）的摩擦型防屈曲支撐+雙層樓板調(diào)諧質(zhì)量阻尼器寬頻段減振技術(shù)，創(chuàng)造了國內(nèi)首例寬頻段多級(jí)減振應(yīng)急指揮中心項(xiàng)目。本工程豎向減震設(shè)計(jì)采用屈曲約束支撐(BRB)作為消能減震部件。一方面，為結(jié)構(gòu)提供足夠的剛度，另一方面，阻尼器在罕遇地震下進(jìn)行耗能。雖然減震器投資較大，但是增強(qiáng)了本結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全性，提升了建筑抗震能力，改善了建筑的使用環(huán)境。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

消能減震結(jié)構(gòu)主要是通過設(shè)置消能減震裝置以控制結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的預(yù)期變形，從而達(dá)到不同等級(jí)的抗震設(shè)防目標(biāo)。

消能減震結(jié)構(gòu)之所以能提高建筑抗震性能，消能減震器起了關(guān)鍵作用。如何比較準(zhǔn)確地評(píng)估消能減震器的減震作用，是減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要問題[1]。

本項(xiàng)目豎向采用的消能減震器是屈曲約束支撐(BRB)與摩擦-金屬屈服復(fù)合阻尼屈曲約束支撐（FBRB） 組合減震技術(shù)，設(shè)計(jì)使用年限為50 年。其產(chǎn)品是利用芯材作為能量吸收材料，利用鋼材的屈服變形滯回耗能來吸收地震能量。此類消能減震器均為位移型阻尼器，目前在各國應(yīng)用廣泛。針對(duì)本工程，其具體設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

1）確定YJK 軟件中結(jié)構(gòu)的等代支撐剛度，確定消能減震器的參數(shù)和數(shù)量，以及消能減震器的安裝位置及型式；

2）計(jì)算附設(shè)減震器的減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；

3）進(jìn)行彈性時(shí)程分析，復(fù)核多遇地震作用下的位移角；

4）進(jìn)行設(shè)防地震時(shí)程分析，復(fù)核設(shè)防地震作用下的消能器耗能；

5）罕遇地震作用下，進(jìn)行彈塑性位移驗(yàn)算，承載力不足的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，最后完成與阻尼器相連的連接構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

3.1 屈曲約束支撐（BRB）的布置方式

屈曲約束支撐(BRB)的立面示意圖如圖1 所示，布置位置可根據(jù)建筑平面靈活布置，也可放置于隔墻中，可根據(jù)平面建筑的需要采用V 形、人字形或單斜桿布置，不會(huì)對(duì)建筑的使用功能及外立面產(chǎn)生影響[2]。

圖1 屈曲約束支撐立面示意圖

3.2 摩擦- 屈曲約束支撐（FBRB）布置方式

摩擦- 屈曲約束支撐（FBRB）復(fù)合阻尼防屈曲支撐，可實(shí)現(xiàn)摩擦阻尼器與防屈曲支撐阻尼器協(xié)同工作，解決單種阻尼器難以同時(shí)滿足從小震到大震（超大震）都能耗能的問題[3]。FBRB布置方式與BRB 一致，如圖2 所示。

圖2 摩擦- 屈曲約束支撐（FBRB）布置方式( 人字撐)

摩擦阻尼器是一種位移型阻尼器（見圖3），是由復(fù)合型摩擦材料、摩擦壓片、摩擦鋼板以及緊固螺栓組成的復(fù)合型阻尼器。它是通過對(duì)緊固螺栓施加正壓力，地震時(shí)摩擦鋼板將往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使摩擦材料和摩擦鋼板間產(chǎn)生摩擦力來消耗地震能量。摩擦阻尼器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠（具有穩(wěn)定的滯回特性，較優(yōu)的低周疲勞性能，受環(huán)境溫度影響較?。?、成本低廉、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減小建筑的地震及風(fēng)振反應(yīng)，具有廣泛的工程適用性。

圖3 摩擦阻尼器示意圖

4 減震系統(tǒng)——BRB系統(tǒng)在本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用

4.1 有限元分析

本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，II 類場地，場地特征周期0.35 s。采用鋼框架結(jié)構(gòu)——屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)體系。

使用大型有限元分析軟件SAP 2000 建立結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行簡便計(jì)算與分析。SAP 2000 軟件具有方便靈活的建模、模擬功能和強(qiáng)大的線性和非線性動(dòng)力分析功能。在模型中屈曲約束支撐（BRB）及摩擦-屈曲約束支撐（FBRB）采用非線性單元Plastic（Wen）模擬，并且彈性時(shí)程分析采用軟件所提供的快速非線性分析（FNA）方法，即只考慮消能器的非線性、結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性。由彈性時(shí)程分析結(jié)果可知，所有類型的屈曲約束支撐（BRB）及摩擦-屈曲約束支撐（FBRB）在多遇地震下的受力均小于相對(duì)應(yīng)的屈服力，因此，設(shè)置屈曲約束支撐（BRB）及摩擦-屈曲約束支撐（FBRB）“多遇及罕遇地震彈性”的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足的經(jīng)綜合考慮，最終選用屈曲約束支撐（BRB）與摩擦-金屬屈服復(fù)合阻尼屈曲約束支撐（FBRB） 組合減震技術(shù)。并根據(jù)彈塑性分析中，消能器的出力、變形和耗能滯回曲線和進(jìn)行截面推導(dǎo)，因上述推導(dǎo)過程較復(fù)雜，本文不再贅述，具體數(shù)值見表1。

表1 本工程BRB產(chǎn)品建議參數(shù)表

4.2 減震器性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中所述方法，將BRB 及FBRB 進(jìn)行歸并，通過調(diào)整彈性段來使BRB 及FBRB 種類不致過多，本工程確定減震器的參數(shù)和數(shù)量，見表2。

表2 本工程FBRB產(chǎn)品建議參數(shù)表

4.3 減震器布置原則

減震器的布置位置：樓層平面內(nèi)的布置遵循“均勻、分散、對(duì)稱”的原則，其具體布置1 層至5 層同軸同位。

5 結(jié)語

基于本項(xiàng)目的減震系統(tǒng)的應(yīng)用，可以總結(jié)出屈曲約束支撐（BRB）系統(tǒng)屬于位移相關(guān)型阻尼器，是靠耗能芯板產(chǎn)生塑性變形來耗散能量，屈曲支撐的內(nèi)芯屈服前只提供彈性剛度，不能耗能，屈服后則開始耗散能量，特別是在產(chǎn)生較大塑性變形時(shí)（大震時(shí)），所以當(dāng)選擇合適的連接件時(shí)摩擦阻尼器可以在產(chǎn)生很小變形時(shí)即開始耗能；屈曲支撐的金屬阻尼器，一般承載力可以做到很大（從幾十噸、幾百噸到上千噸），基于此類阻尼器的性能特點(diǎn)，將屈曲支撐通過合理的設(shè)計(jì)，這樣結(jié)構(gòu)從小震、中震到大震（超大震）的整個(gè)過程都能耗散能量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在各變形階段的自適應(yīng)耗能需求。