談工程結構減震控制分析與應用

王 賓

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

談工程結構減震控制分析與應用

王 賓

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

對主體結構采用消能減震技術前后分別進行建模計算，并采用彈塑性時程分析，得出了結構在多遇、設防和罕遇地震作用下的層間位移、層間地震剪力，通過對數據的對比，可以看出減震控制裝置在工程中應用的可行性。

消能減震，屈曲約束支撐，位移，地震剪力

0 引言

隨著社會的發展和經濟實力的提高，越來越多造型各異的建筑物出現在全國各地。這類建筑物通常體型不規則，空間高度和跨度比較大，對建筑的抗震性能有較高要求。傳統的抗震設計方法是通過加大梁、柱截面，減少梁、柱間距等措施來達到增加結構整體剛度，降低地震對結構造成破壞的目的。然而這些措施又往往與建筑的使用要求相矛盾，并且存在材料上的大量浪費。現代結構概念引進了消能減震技術，在工程結構中安裝減震控制裝置，由控制裝置與結構構件共同承擔地震等外部荷載作用，進而達到調節和減輕結構在地震等作用下的動力響應，實現保護主體結構的目的。下面筆者結合實際工程對減震控制裝置的應用做一個簡單的分析和介紹。

1 工程概況

本工程位于河南省鶴壁市，結構抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度：0.20g，設計地震分組：第二組，場地土類別為Ⅱ類。結構形式為框架結構，總高度38.300 m。圖1為該項目的三維圖。

原結構部分樓層層間位移角不滿足規范1/550的限值要求，由于建筑使用功能的要求，無法加大構件截面和增設剪力墻，為保證結構在8度地震作用下仍具有良好的抗震性能，擬在結構中應用消能減震技術，使結構在多遇和罕遇地震作用下能滿足GB 50011—2010建筑抗震設計規范的限值要求，提高整體結構的抗震安全性能。

消能減震技術主要是通過在結構的某些部位(節點、聯結縫、層間空間等)增設減震裝置，或把結構中某些非承重構件(連接件、剪力墻、支撐等)設計成耗能構件，為結構提供一定的附加剛度或附加阻尼。在地震作用下，這些耗能部件率先進入非彈性狀態，產生較大阻尼，大量耗散輸入結構的能量，減輕主體結構進入非彈性狀態的可能，從而更好地保護主體結構的安全。

本工程中采用的消能減震裝置為屈曲約束支撐。屈曲約束支撐是位移型消能器，能有效提高結構的抗側剛度，且能增加大震下結構的耗能能力。在小震作用下處于彈性狀態，不能夠消能減震，但它給結構增加了一定的側向剛度，減小了結構小震位移，這點類似普通鋼支撐；中大震下，屈曲約束支撐發生屈服(但不發生屈曲失穩)，起到消能減震作用。

2 輸入地震動評價

2.1 地震動輸入參數選取

1)地震波的數量。按GB 50011—2010建筑抗震設計規范要求不少于7條地震波，本工程設計擬采用7條地震波。其中，人工合成加速度時程曲線2條(RH1波、RH2波)，天然地震記錄地震波5條(ELC波、TAF波、TH2波、TH3波、TH4波)。

2)地震波的選用要求。a.地震波特性應接近Ⅱ類場地，場地卓越周期Tg=0.40 s。b.平均反應譜曲線與規范的反應譜曲線在統計意義上相符。在對應周期點上與規范反應譜曲線平均相差不大于20%。

3)地震波的加速度峰值。設防烈度：8度(0.20g)；多遇地震：70 cm/s2；設防地震：200 cm/s2；罕遇地震：400 cm/s2。

2.2 輸入地震動評價

《建筑抗震設計規范》規定，彈性時程分析時每條時程曲線計算所得結構底部剪力均超過振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值均大于振型分解反應譜法計算結果的80%。從結構時程分析結果可以看出，本工程所采用的5條天然地震動和2條人工地震動，每條地震動時程曲線計算所得結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，均不大于振型分解反應譜法計算結果的135%；7條地震動時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，均不大于振型分解反應譜法計算結果的120%。時程分析所采用的地震動滿足《建筑抗震設計規范》要求。

X向，Y向非減震結構時程和反應譜層間地震剪力對比見表1，表2。

表1 X向非減震結構時程和反應譜層間地震剪力對比 kN

表2 Y向非減震結構時程和反應譜層間地震剪力對比 kN

3 結構減震計算與分析

3.1 減震控制裝置的布置和選型

經計算，共選用32根屈曲約束支撐，其中，X方向布置16根，Y方向布置16根，屈曲約束支撐設置在第4層～第6層的梁柱中，屈曲約束支撐的具體安裝位置考慮以不影響建筑使用空間為原則，具體安裝位置如圖2所示(橢圓標記)。第4層采用雙斜撐的布置方式，5層，6層采用單斜撐布置方式。屈曲約束支撐設計參數與數量見表3。

表3 屈曲約束支撐設計參數與數量

3.2 結構水平剪力計算

由表4，表5結構X向、Y向層間剪力計算對比結果可以看出，在多遇地震作用下，減震結構與非減震結構相比，結構層剪力有一定幅度衰減，X方向最大減震效果達32.49%，Y方向最大減震效果達34.23%；在設防地震作用下，減震結構與非減震結構相比，結構層剪力亦有一定幅度衰減，X方向最大減震效果達40.10%，Y方向最大減震效果達39.92%。可見，結構中增設屈曲約束支撐后，使結構層剪力減小，有效提高了結構在地震作用下的抗震性能。

表4 多遇地震下模型X向層間剪力對比

表5 多遇地震下模型Y向層間剪力對比

3.3 結構水平位移計算

由表6，表7減震后結構X向、Y向層間位移角倒數的計算值可以看出，在多遇地震作用下，非減震結構部分樓層彈性層間位移角不滿足規范的要求，在結構中設置屈曲約束支撐以后，減震結構中X向層間位移角減小，滿足規范1/550的限值要求，最大減震效果達72.28%，Y向層間位移角亦有所減小，最大減震效果達到73.58%；在設防地震作用下，減震結構中X向層間位移角減小，最大減震效果達到74.49%，Y向層間位移角亦有所減小，最大減震效果達到75.10%；在罕遇地震作用下，結構的層間位移角限值均能夠滿足規范1/50的限值要求，減震結構中X向層間位移角減小，最大減震效果達到76.05%，Y向層間位移角亦有較大幅度地減小，最大減震效果達到77.29%。可見，在結構中增設屈曲約束支撐，能有效地減小結構的層間位移角，從而提高結構的抗震性能。

表6 多遇地震下X向層間位移角倒數(1/θ)

表7 多遇地震下Y向層間位移角倒數(1/θ)

3.4 屈曲約束支撐耗能性能

圖3顯示了結構在地震波TH3作用下部分屈曲約束支撐的滯回曲線。由圖3a)和圖3b)可知，在多遇地震作用下，屈曲約束支撐基本不耗能，在結構中僅起鋼支撐的作用；由圖3c),圖3d)可知，在設防地震作用下，屈曲約束支撐的滯回曲線比較飽滿，已經逐步進入耗能狀態；由圖3e),圖3f)可知，在罕遇地震作用下，其滯回曲線十分飽滿，說明屈曲約束支撐在罕遇地震下具有優越的耗能能力，衰減地震輸入結構中的能量，進而提高結構的抗震安全儲備。

4 結語

1)通過對該工程結構進行多遇、設防和罕遇地震作用下的減震控制動力時程分析，可以看到在結構中設置屈曲約束支撐，能有效降低其在多遇、設防和罕遇地震作用下的動力響應，在結構層剪力和層間位移角方面較原結構都有較大降幅，大大提高結構的抗震性能與抗震安全儲備。

2)消能減震裝置由于具有概念簡明、減震機理明確、減震效果明顯、構造簡單、安裝和維護方便、對結構的建筑功能和日常使用功能影響較小、適用范圍廣等優點，近年來已廣泛應用于工程結構抗震控制中，取得了良好的經濟效益和社會效益。與傳統的結構抗震體系相比較，結構消能減震體系有如下的優越性：a.傳統的結構抗震體系是把結構的主要承重構件(梁、柱、節點)作為耗能構件，地震中受損壞的是這些承重構件，甚至導致房屋倒塌。而消能減震體系則是以非承重構件作為耗能構件或另設消能器，它們的損壞就是保護主體結構，所以是安全可靠的。b.震后易于修復或更換，使建筑結構物迅速恢復使用。

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Discussion on seismic dissipation control analysis and application of engineering structure

Wang Bin

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

The paper carries out modeling calculation of major structure by applying seismic dissipation technology beforeward and afterward, finds out hierarchical displacement and hierarchical seismic shearing under various seismic, preventive seismic and rare seismic by using elastic time-history analysis, compares data, and finally proves the feasibility of applying energy dissipation device in engineering.

energy dissipation, Buckling-Restrained Brace(BRB), displacement, seismic shearing forces

2014-12-16

王 賓(1975- )，男，工程師

1009-6825(2015)06-0042-03

TU352

A