高層建筑中隔震與防屈曲耗能支撐技術適用性相關問題探討

陳凌蔚

(福建建工集團總公司　福建福州　350000)

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高層建筑中隔震與防屈曲耗能支撐技術適用性相關問題探討

陳凌蔚

(福建建工集團總公司福建福州350000)

在同一棟框架剪力墻建筑上分別采用防屈曲支撐體系和基礎隔震體系，對比研究了這兩種體系對框架剪力墻結構上的基底剪力與最大加速度減震能力，最后綜合兩種結構體系的減震能力、結構特點、施工效率、經濟指標等，歸納出兩種體系的特點及適用范圍。

基礎隔震體系；防屈曲耗能支撐體系；耗能減震；經濟指標

0　引言

在同一座框架剪力墻結構上分別設置基礎隔震體系和防屈曲支撐體系[1]。本文首先介紹了基礎隔震體系設計，計算了其水平向減震系數;其次介紹了防屈曲支撐結構的設計過程；然后，找出兩種結構在設計過程中的各自特點。接著，結合工程實例，通過Etabs有限元分析軟件建立3種不同的結構模型，對兩種不同體系進行地震反應和經濟指標詳細分析。

1　工程概況

本項目為一中學宿舍，位于福建省福州市閩侯縣甘蔗鎮，為一座18層鋼筋混凝土框架剪力墻結構。每層層高3m，建筑總高度54m，高寬比為3.75，建筑物平面布置圖如圖1所示。抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g。設計地震分組第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.4s。用Etabs軟件對其進行建模，平面布置圖如圖1所示，梁柱截面尺寸如表1。

圖1　工程算例平面布置圖表1　結構梁柱截面尺寸

樓層構件剪力墻(mm)柱(mm)主梁1(mm)主梁2(mm)13～18層200550×550500×250450×2007～12層250600×550550×250500×2001～6層250600×600600×300500×250

2　基礎隔震體系設計

通過計算，初步確定支座的直徑為φ600、φ800兩種。由于該樓較高，風荷載作用下隔震層受到的層間剪力較大，為了滿足隔震層的抗風要求，隔震層角部和周邊隔震支座全部選用鉛芯橡膠隔震支座同時使隔震層具有一定的抗扭剛度 ，隔震層周邊和角部的隔震支座選用較大的隔震支座[2～4]。布置28個LNR600、16個LRB800，總計44個隔震支座。隔震層平面簡圖見圖2。

圖2　隔震層平面簡圖

3　隔震結構水平向減震系數

《抗震設計規范2010版》12.2.5條2款規定：水平向減震系數，對于多層建筑，為按彈性計算所得的隔震和非隔震各層層間剪力的最大比值。對于高層建筑結構，尚應計算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值，并與層間剪力的最大比值相比較，取二者的較大值，該系數反映了隔震結構的減震效果。

經Etabs軟件計算本結構隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值為0.37。本結構的X向層間剪力及層間剪力比見表2。

表2　結構X向層間剪力及層間剪力比

從表 2可以看出，時程分析計算出的隔震結構與抗震結構的最大層間剪力比分別為 0.39。即水平向減震系數為0.39，滿足《抗震規范2010版》12.2.5條7度上部結構降1度設計的要求。

4　防屈曲支撐體系設計

防屈曲支撐的布置原則和普通支撐的布置原則類似，在平面上，盡量使結構的質量中心和剛度中心重合，在立面上，應避免因局部的剛度削弱形成薄弱層，造成應力集中。對于建筑物建議彈性分析時防屈曲耗能支撐所承受的層剪力 和層間總剪力滿足，對于框架結構 宜取0.4～0.6。本結構為框架剪力墻結構，可以適當地減小， 取0.3～0.6。通過計算，初步確定防屈曲支撐面積分別為1～6層：2 940mm ，7～12層：2 440mm ，13～18層：1 960mm 。防屈曲支撐布置立面圖、三維立體圖如圖3、圖4所示。

圖3　工程算例立面圖

圖4　工程算例空間三維立體圖

5　隔震結構、防屈曲支撐結構地震反應對比

防屈曲耗能支撐具有較強的非線性，所以本節選用時程分析法對原結構、防屈曲支撐結構、隔震結構的性能作對比分析。

5.1加速度反應分析

列原結構、基礎隔震結構、防屈曲耗能支撐結構在3種波下的加速度峰值如表3～表5 所示。

表3　El centro波下兩種結構頂層加速度峰值及減震率比較

表4　Taft波下兩種結構頂層加速度峰值及減震率比較

表5　人工波下兩種結構頂層加速度峰值及減震率比較

結果表明，在小震作用下，隔震結構對比原結構，加速度反應峰值最大減小了45.05%；而在大震作用下，相比原結構，加速度反應峰值最大減小了76.30%。

小震作用下，防屈曲支撐結構相比原結構的頂層加速度稍有減小，最大減小幅度為8.00%；而在大震作用下，相比原結構，防屈曲支撐結構的加速度反應峰值最大減小了19.19%，可見防屈曲耗能支撐體系在大震作用下的耗散能量有所增加。而防屈曲支撐體系與隔震體系對比，無論在小震還是大震的作用下，對頂層加速度峰值的減震效果都不顯著。

5.2基底剪力分析

列原結構、隔震結構、防屈曲耗能支撐結構在3種波下的的基底剪力值如表6～表8所示。

表6　El centro波下兩種結構基底剪力及減震率比較

表7　Taft波下兩種結構基底剪力及減震率比較

表8　人工波下兩種結構基底剪力及減震率比較

小震作用下，防屈曲耗能支撐體系的基底剪力稍有增大，最大增大幅度為6.37%。在小震下防屈曲支撐不進入耗能狀態，由于沒有塑性變形，所以只能提供剛度不提供阻尼，相當于結構只加入一個附加側向支撐。結構加入附加側向支撐后，建筑物的剛度增大，自振周期變小。而在地震反應譜曲線中，對于長周期的建筑，周期減小對應的地震影響系數增大，所以地震反應增大；而剛度變大，樓層層間位移減小，耗散能量也就變小。所以小震下，防屈曲支撐結構基底剪力有所增大是合理的。

在大震作用下，相比原結構，防屈曲耗能支撐體系通過耗散地震能量，使得其結構的基底剪力最大減少了27.42%，可見防屈曲耗能支撐體系在大震作用下的耗散能量有所增加。但是無論在小震還是大震的作用下，對基底剪力的減震效果都沒有減震體系的減震效果顯著。

6　原結構、隔震結構、防屈曲支撐結構的經濟指標對比分析

6.1直接經濟效益

根據實際工程經驗及晨曦造價軟件的分析，隔震層增加的費用總共為161萬元。其中包括：(1)44個隔震支座；(2)預埋件；(3)臨時支撐。其中臨時支撐非常重要，施工中規定隔震支座的平面位置與設計位置的偏差不大于5mm，單個支座的傾斜度不大于1/300，所以施工期間必須設置臨時支撐的主要作用是防止隔震層發生水平位移，待主體竣工后應予拆除。

對于防屈曲支撐結構，增加的費用主要是由防屈曲支撐本身造成的，與主體結構采用螺栓連接，并且一同施工，施工的增加費用可以忽略不計。使用國產防屈曲支撐，單根價格為9 000元/根，共144根。總計129.6萬元。對比兩種結構，土建造價相差161萬元-129.6萬元=31.4萬元。可見防屈曲支撐結構稍低于隔震結構。

6.2間接經濟效益

以上介紹了結構的直接經濟效益，但在實際工程中，工期的長短、后期的維護等都會對工程的間接經濟效益造成影響。

6.2.1工期

(1)隔震結構

隔震建筑需要設置隔震層空間，基礎底面深度比一般建筑物更深。開挖和護坡工程施工時間都會有所增加。隔震層施工結束后，才可進行上部施工，所以隔震層施工在整個工程施工流程中相當于串聯施工。根據建筑規模、隔震構建的種類和位置的差距，為0.5個月～1.5個月，相當于整個工期的0.5%～5%。根據本工程的規模，大概增加工期40d。

(2)防屈曲支撐結構

防屈曲支撐的安裝方法分為平行安裝法和后安裝法。平行安裝法是按一般施工順序，與主體結構同步施工；為了節約工期，選用平行法安裝。若選取平行法安裝，則防屈曲支撐的施工在整個工程施工流程中相當于并聯施工，不會影響施工進度，不會造成工期的增加。

6.2.2后期維護

(1)隔震結構

雖然任何類型的建筑都要進行維護，對隔震結構的維護，要格外的重視。其中需要注意的方面有：

①大震時產生隔震層會產生較大的相對水平位移，為了保證其性能的發揮，隔震物及其周圍，如果存在妨礙變形的物體、或對隔震構件產生損傷影響承載力、或超過預期的老化。這些都將使隔震性能不能充分地發揮，安全性降低。

②隔震層的設備管線相應的變形能力不夠，會產生斷裂、所以維護管理費用高，管理比較繁雜。

(2)防屈曲支撐結構

防屈曲支撐是一種即壞即換的構件，原則上可以不進行不定期檢查，只需在建筑結構遭到破壞后，進行更換，可大大節約維護費。相比隔震結構，安裝防屈曲支撐消耗地震能量、保證主體結構安全, 同時可以節省很大的后期維護費。

7　結論

對原結構、基礎隔震結構、防屈曲支撐結構地震反應進行對比分析，并綜合3種結構得出以下結論：

(1)在框架剪力墻結構上，通過在建筑物的上部結構底部與基礎之間設置柔性隔震層。當地震發生時，隔震體系會產生水平位移和變形從而吸收大量的地震能量，降低地震反應。無論大震還是小震的作用下，隔震結構的耗能減震效果都比防屈曲支撐結構好。

(2)在框架剪力墻結構上，防屈曲耗能支撐體系具有一定的耗能能力。小震下，防屈曲支撐不進入耗能狀態，只能提供剛度不提供阻尼，相當于結構只加入一個附加側向支撐。大震作用下，防屈曲支撐體系在主體結構未進入非彈性階段率先耗散能量, 發揮阻尼減震作用，開始耗能。

(3)相比于隔震體系，雖然防屈曲耗能支撐體系的耗能減震能力有限，但防屈曲支撐安裝方便且經濟，可以和主體結構一同施工，大大地提高了施工速度，施工工期短；現場噪音、振動小；防屈曲耗能支撐如果在大震中有破損，更換也非常簡單，后期維護費用低。

[1]周福霖．工程結構減震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[2]張文芳,靳金平,崔路苗.工程結構消能減震控制的研究與應用[J].工程抗震與加固改造,2005,27:70-75.

[3]葉正強,李愛群,程文襄.采用粘滯流體阻尼器的工程結構減振設計研究[J].建筑結構學報,2001,22(4):61-66.

[4]林新陽,周福霖.消能減震的基本原理和實際應用[J].世界地震工程,2002,18(3):48-51.

The Research on the Related Issues for the Adaptability of Base-Isolated Technology and Buckling-Restrained Brace Technology in High-Rise Buildings

CHEN Lingwei

(Fujian Construction Engineering Group Corporation, Fuzhou 350000)

Based on the background of high-rise building, this article aims at the base-isolated technology and the buckling-restrained braces technology.Finally researches their respective technical characteristics, economic indicators, construction schedule, scope of application and other related problems.This thesis has the following several part:Buckling-restrained braces system and base-isolated system were respectively used on the same building of frame shear structure. Comparing the damping performance of two systems on the frame shear , synthesizes damping capacity, structure features, the construction efficiency, and the economic indicators of two structure systems,and finally sums up the characteristics of two structure system and the applicable building type.

Base-isolated system; Buckling-restrained braces system; Energy dissipation and seismic mitigation economic indicator

陳凌蔚( 1980.8-)，男，工程師。

E-mail:6441903@qq.com

2016-05-11

TU9873+.2

A

1004-6135(2016)08-0061-04