某中學宿舍樓的消能減震設計與分析

楊 小 兵

(太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024)

某中學宿舍樓的消能減震設計與分析

楊 小 兵

(太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024)

介紹了消能減震的原理，分析了采用屈曲約束支撐和非線性黏滯阻尼器的某中學宿舍樓的消能減震設計方法，并經過動力時程分析結果顯示:該消能減震結構能顯著地降低結構的地震響應，提高結構的抗震性能。

消能減震,屈曲約束支撐,非線性黏滯阻尼器,結構

1 消能減震原理

消能減震結構體系，就是把建筑的某些構件設計成消能構件，或在建筑的某些部位裝設消能裝置。在風荷載作用下或小震時，這些消能構件或消能裝置處于彈性狀態，具有足夠的剛度以滿足使用要求；當出現中、強地震時，隨著結構側向變形的增大，消能構件或消能裝置率先進入非彈性狀態，產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，使結構避免出現明顯的非彈性狀態，并且迅速衰減結構的地震反應(位移、速度、加速度等)，從而保護主體結構及其他構件免遭破壞，以確保主體結構的安全[1]。

地震時結構的能量轉換過程可以簡化為下式:

傳統抗震結構：Ein=ER+ED+ES。

消能減震結構：Ein=ER+ED+ES+EA。

其中，Ein為地震時輸入結構的地震能量；ER為結構地震反應的能量，即結構振動的動能和勢能；ED為結構阻尼消耗的能量(一般不超過5%)；ES為主體結構及承重構件非彈性變形(或損壞)消耗的能量；EA為消能構件或消能裝置消耗的能量。

對比以上兩式可知，在地震作用下輸入結構的能量轉化為結構的動能、勢能、結構阻尼耗能、變形耗能等。在消能減震體系中，消能構件或消能裝置吸收了大部分能量，從而減小了主體結構承受的地震能量，達到減小結構反應，保護主體結構的目的[2]。

2 工程概況

某中學宿舍樓長98 m，寬14 m，高23 m，地下1層，地上6層，層高均為3.6 m，結構形式為鋼筋混凝土框架結構，抗震等級為一級，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，建筑場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第一組。結構模型如圖1所示。

3 結構分析

3.1 地震波的選用

本工程設計采用7條地震波：人工地震波2條(RH2波,RH4波)和天然地震波5條(ELC波,OLY波,TH1波,TH4波,TAF波)。

3.2 等效附加阻尼比的計算

為了確定結構設置黏滯阻尼器以后結構總等效阻尼比的數值，本工程采用ETABS軟件進行了結構在7條地震波(2條人工波、5條天然波)作用下的結構減震分析，同時為便于對比，在10%阻尼比條件下采用SATWE軟件對該結構進行了計算分析，基于ETABS和SATWE兩種軟件的結構樓層剪力和層間位移角的計算結果見表1～表4。結果表明：采用ETABS模型計算得到的實際樓層剪力和層間位移角優于SATWE模型采用10%阻尼比計算得到的折算樓層剪力和層間位移角，說明通過在結構增設非線性黏滯阻尼器，能夠達到5%附加阻尼比的減震控制要求，且一定程度上改善了結構的抗震性能，結構可以采用10%總等效阻尼比進行設計，偏于安全。

表1 多遇地震X向ETABS減震模型各層剪力和SATWE 10%阻尼比模型各層剪力對比

表2 多遇地震Y向ETABS減震模型各層剪力和SATWE 10%阻尼比模型各層剪力對比

表3 多遇地震X向ETABS減震模型層間位移角倒數和SATWE 10%阻尼比模型層間位移角倒數對比

表4 多遇地震Y向ETABS減震模型層間位移角倒數和SATWE 10%阻尼比模型層間位移角倒數對比

3.3 消能構件布置

為使結構在多遇和罕遇地震作用下能滿足規范[3]的要求，提高整體結構的抗震安全性能，經計算，共選用28個屈曲約束支撐和15個非線性黏滯阻尼器，其中：X方向布置6個非線性黏滯阻尼器、Y方向布置28個屈曲約束支撐和9個非線性黏滯阻尼器。屈曲約束支撐和非線性黏滯阻尼器的安裝示意圖分別見圖2和圖3，屈曲約束支撐和非線性黏滯阻尼器的設計參數見表5和表6。

表5 屈曲約束支撐參數

表6 非線性黏滯阻尼器參數

3.4 結構水平剪力計算

多遇地震作用下，結構X向,Y向層間剪力計算對比分別見表7和表8。由表可見，在多遇地震作用下，減震結構與非減震結構相比，結構層剪力有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達31.53%，Y方向最大減震效果達40.31%。可見，結構中增設減震裝置后，有效提高了結構的抗震性能。

表7 多遇地震下X向層間剪力對比

表8 多遇地震下Y向層間剪力對比

3.5 結構水平位移計算

多遇、罕遇地震作用下，減震結構X向，Y向層間位移角倒數的計算值分別見表9～表12。由表可見，在多遇地震作用下，非減震結構彈性層間位移角較大，在采取消能減震后，X向層間位移角明顯減小，最大減震效果達32.7%；Y向層間位移角亦有較大幅度減小，最大減震效果達到41.82%。在罕遇地震作用下，結構的層間位移角限值均滿足規范[3]的要求，在采取消能減震后，X向層間位移角減小，減震效果達13.20%；Y向層間位移角也有一定地減小，最大減震效果達到42.13%。可見，結構中增設減震裝置后，有效提高了結構的抗震性能。

表9 多遇地震下X向層間位移角倒數(1/θ)

表10 多遇地震下Y向層間位移角倒數(1/θ)

表11 罕遇地震下X向層間位移角倒數(1/θ)

表12 罕遇地震下Y向層間位移角倒數(1/θ)

4 結語

通過對某中學宿舍樓進行消能減震設計并對其進行動力時程分析，得到以下結論：

屈曲約束支撐(BRB)，是一種有效的耗能減震構件，無論受拉還是受壓都能達到承載全截面屈服的軸向受力構件，表現出相同的滯回性能和優良的耗能能力，這種特性使它既能為主體提供必要的抗側剛度，又可為主體結構提供一定的附加阻尼，降低結構在地震作用下的反應。BRB的應用解決了普通支撐發生失穩破壞的問題，較之傳統的支撐構件，它具有更穩定的力學性能。采用BRB的結構延性好，耗能強，而且施工進度快，質量可靠。

黏滯阻尼器作為速度相關型阻尼器，小震下可以產生較小阻尼力，起到一定的消能減震作用，中、大震下則能夠消耗更多的地震能量。

BRB和黏滯阻尼器作為結構耗能元件，可起到類似“結構保險絲”的作用，既可保護主體結構構件，又可在遭遇大震或特大震后，起到防止倒塌的關鍵作用，即便受損也可方便更換，可減小地震后的修復時間和費用。安裝BRB和黏滯阻尼器的建筑物經受強烈地震后，主體結構將不破壞或少破壞，從而保護建筑物內生命和財產安全，建筑物不僅能保證“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本抗震設防目標，還可達到更高的設防目標“小震經濟，中震不壞，大震易修，余震不倒”，是新型節能、環保、低碳、綠色的技術，消能減震結構體系和傳統抗震體系相比具有安全、經濟、技術合理等特點，為“以剛克剛”的傳統抗震設計理念向“以柔克剛”的科學理念轉化提供了行之有效的技術保障。

[1] 周 云.耗能減震結構抗震加固設計[M].北京：科學出版社，2006.

[2] 蘇冠興，李世宏.中小學教學樓消能減震設計與分析[J].建筑結構,2013(sup):5.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

On design and analysis of seismic energy dissipation in dormitory buildings of some middle school

Yang Xiaobing

(ArchitecturalDesignandResearchInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The paper introduces the principle for the seismic energy dissipation, analyzes the dissipation design methods of adopting the buckling restraining brace and non-linear viscous damper in the dormitory building of some middle school, and proves by the analysis results of the dynamic and time-historical analysis that the dissipation structure can obviously lower the seismic response of the structure and improve its anti-seismic performance.

seismic energy dissipation, buckling restraining brace, non-linear viscous damper, structure

2015-01-05

楊小兵(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0056-02

TU352

A