剪力墻結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)實(shí)例

梁 鵬 花

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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剪力墻結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)實(shí)例

梁 鵬 花

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

簡述了建筑消能減震的設(shè)計(jì)原理，針對(duì)某剪力墻工程的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，探討了在連梁處布置金屬剪切型阻尼器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

剪力墻，消能減震，阻尼器，連梁

0 引言

近年來，隨著對(duì)建筑工程減震隔震技術(shù)研究的不斷深入，我國部分地震高烈度地區(qū)開展了工程應(yīng)用工作。一些應(yīng)用了減震隔震技術(shù)的工程經(jīng)受了汶川、蘆山等地震的實(shí)際考驗(yàn)，保障了人民生命財(cái)產(chǎn)安全，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益。

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部(建質(zhì)[2014]25號(hào))《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見(暫行)》的精神和山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳(晉建質(zhì)字[2014]115號(hào))《山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知》中的有關(guān)規(guī)定，抗震設(shè)防烈度8度區(qū)、地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)的學(xué)校和幼兒園的新建教學(xué)用房、學(xué)生宿舍、食堂以及醫(yī)院的新建醫(yī)療建筑，必須采用減隔震技術(shù)。本工程位于抗震設(shè)防烈度8度區(qū)，且使用功能為學(xué)生宿舍，應(yīng)采用減隔震技術(shù)進(jìn)行本工程抗震設(shè)計(jì)。

1 建筑消能減震設(shè)計(jì)原理

消能減震設(shè)計(jì)指在房屋結(jié)構(gòu)中適當(dāng)設(shè)置消能器，通過消能器的相對(duì)變形和相對(duì)速度提供附加阻尼，以消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，達(dá)到預(yù)期防震減震要求。其實(shí)現(xiàn)方法是在結(jié)構(gòu)中某些相對(duì)變形較大的部位安裝消能裝置或者將某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成消能構(gòu)件，通過消能裝置和消能構(gòu)件大量消耗地震輸入能量，達(dá)到減震目的。結(jié)構(gòu)中合理布置消能器以達(dá)到預(yù)定減震效果。

建筑消能減震技術(shù)經(jīng)過多年應(yīng)用已成為成熟技術(shù)。建筑消能減震設(shè)計(jì)按照國家規(guī)范GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 消能器分類

建筑消能部件可由消能器及斜撐、墻體、梁等支承構(gòu)件組成。消能器分為速度相關(guān)型、位移相關(guān)型和其他類型。

1)速度相關(guān)型。

消能器的耗能能力與消能器兩端的相對(duì)速度有關(guān)的消能器，如粘滯消能器、粘彈性消能器等。

2)位移相關(guān)型。

消能器的耗能能力與消能器兩端的相對(duì)位移有關(guān)的消能器，如金屬消能器、摩擦消能器和屈曲約束支撐等。

3)復(fù)合型。

消能器的耗能能力與消能器兩端的相對(duì)位移和相對(duì)速度有關(guān)的消能器，如鉛粘彈性消能器等。

3 本工程消能減震設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

本工程地下2層，地上18層。建筑物總高度為52.750 m，總長度為67.700 m，總寬度為16.900 m，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，圖1為標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻布置圖。

本工程抗震設(shè)防烈度：8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，特征周期為0.45 s。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。建筑場地類別為Ⅲ類。原結(jié)構(gòu)阻尼比為5%。

3.2 結(jié)構(gòu)特征

本工程為剪力墻結(jié)構(gòu)。由于剪力墻連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會(huì)引起連梁兩端的豎向位移差，并將在連梁內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。傳統(tǒng)的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)通過剪力墻連梁的往復(fù)塑性變形來耗能。剪力墻中的連梁在地震水平荷載作用下會(huì)出現(xiàn)交叉裂縫，并形成塑性鉸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低，變形加大，從而吸收大量的地震能量；同時(shí)通過塑性鉸仍能繼續(xù)傳遞彎矩和剪力，對(duì)墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的強(qiáng)度和剛度。在這一過程中，連梁起到了一種耗能的作用，對(duì)減少墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。但在地震的反復(fù)作用下，連梁的裂縫會(huì)不斷發(fā)展、加寬，直到混凝土受壓破壞，這些塑性變形的積累導(dǎo)致連梁的破壞，很難進(jìn)行災(zāi)后修復(fù)或不經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及建筑功能要求，將消能裝置布置在結(jié)構(gòu)上部受力較大的連梁處，可以最大限度的消耗地震力，并能有效避免連梁混凝土的破壞，更好的實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)目標(biāo)。

3.3 金屬剪切型阻尼器特性

金屬消能器，由各種不同金屬材料(軟鋼、鉛等)元件或構(gòu)件制成，利用金屬元件或構(gòu)件屈服時(shí)產(chǎn)生的彈塑性滯回變形耗散能量的減震裝置。

本工程采用的連梁阻尼器屬于金屬消能器。金屬剪切型阻尼器的設(shè)計(jì)需要考慮剛度的變化。圖2表示了金屬阻尼器的等效剛度在不同位移下有所不同。軟鋼屈服阻尼器和連梁阻尼器的等效剛度與等效阻尼比計(jì)算需要根據(jù)樓層的最大位移計(jì)算，因此在計(jì)算中需要進(jìn)行剛度與阻尼比的迭代。

對(duì)于連梁阻尼器，其設(shè)計(jì)參數(shù)主要為：彈性剛度、屈服承載力、二次剛度、最大承載力。阻尼器耗能為該阻尼器滯回曲線的面積。在PKPM模型中，沒有可以直接指定單元?jiǎng)偠扰c阻尼比的單元，故采用墻單元模擬阻尼器剛度，阻尼器提供的附加阻尼比在結(jié)構(gòu)整體阻尼比中體現(xiàn)。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

給結(jié)構(gòu)配置消能部件，其實(shí)質(zhì)是給結(jié)構(gòu)附加阻尼，使結(jié)構(gòu)的等效阻尼比增加，而結(jié)構(gòu)等效阻尼比的增加會(huì)使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)降低，同時(shí)給結(jié)構(gòu)增加剛度，減小結(jié)構(gòu)位移，從而減小結(jié)構(gòu)位移角和位移比。本工程連梁在小震計(jì)算中超筋現(xiàn)象嚴(yán)重，連梁阻尼器所在的位置地震力和連梁變形均較大。因此，本工程均勻的在7層～14層的剪力墻連梁位置布置了連梁阻尼器，每層4個(gè)。在這些位置布置連梁阻尼器可以有效的耗散地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

表1 本工程阻尼器初步設(shè)計(jì)方案

表2 連梁阻尼器性能參數(shù)

表3 阻尼比計(jì)算結(jié)果

本工程采用由中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的《多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件 SATWE》進(jìn)行整體分析，抗震分析時(shí)考慮了扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)效應(yīng)、偶然偏心及雙向地震效應(yīng)。同時(shí)，結(jié)合清華大學(xué)與北京羿射旭科技有限公司聯(lián)合開發(fā)的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序EDStruDesign進(jìn)行阻尼器附加阻尼比的計(jì)算。在計(jì)算中，采用等效剛度和等效阻尼的方法來考慮阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。

綜合考慮減震目標(biāo)及建筑功能的需要，本項(xiàng)目共設(shè)置了32個(gè)連梁阻尼器，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。阻尼器噸位設(shè)計(jì)為35 t。具體各層阻尼器布置情況見表1。

本工程采用的連梁阻尼器性能參數(shù)如表2所示。

3.5 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

本項(xiàng)目中連梁阻尼器布置在結(jié)構(gòu)較弱的Y向，其結(jié)果如表3所示。

經(jīng)過計(jì)算該結(jié)構(gòu)層間位移角如表4所示。

由表4可知，設(shè)置阻尼器之后，Y向最大層間位移角為1/1 133，均小于規(guī)范限值，滿足規(guī)范要求并有足夠的安全儲(chǔ)備。其他荷載工況下計(jì)算結(jié)果也均滿足規(guī)范要求并有足夠的安全儲(chǔ)備，減震結(jié)構(gòu)小震下各層層間位移角均小于非減震結(jié)構(gòu)。

表4 減震與非減震結(jié)構(gòu)層間位移角計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表5 結(jié)構(gòu)層剪力計(jì)算結(jié)果 kN

經(jīng)過計(jì)算結(jié)構(gòu)層剪力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

由表5可以知道，設(shè)置有阻尼器的減震結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到的各層剪力均小于未設(shè)置阻尼器的非減震結(jié)構(gòu)，阻尼器耗能作用顯著。

4 施工難點(diǎn)

本工程的阻尼器設(shè)置于連梁跨中，因此連梁的鋼筋就需要在阻尼器位置斷開，那么連梁鋼筋怎樣有效的傳遞荷載及地震力就非常重要。個(gè)人認(rèn)為，連梁鋼筋設(shè)置時(shí)，要考慮阻尼器的預(yù)埋錨筋的規(guī)格，將它們很好的結(jié)合，可以采用連梁鋼筋作為一部分預(yù)埋錨筋，通過連梁鋼筋與預(yù)埋板的有效連接，既能保證荷載的有效傳遞，又能避免連梁鋼筋彎錨帶來的鋼筋太密，無法保證混凝土振搗密實(shí)度而帶來的隱患。

5 結(jié)語

本工程通過消能減震設(shè)計(jì)，建筑物橫向(Y)阻尼比由非減震設(shè)計(jì)的5%增加到7.3%，地震作用明顯減小；結(jié)構(gòu)層間位移角比非減震設(shè)計(jì)減小10%，提高建筑物的抗震性能及舒適度；底層剪力比非減震設(shè)計(jì)的減小10%；采用減震設(shè)計(jì)后，相較于非減震設(shè)計(jì)，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到的地震作用降低15%。

本工程采用消能減震阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期的減震目的，符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于減隔震設(shè)計(jì)的要求。

[1] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 潘 鵬，葉列平，錢稼茹，等.建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)與案例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[3] 郭鳳香.高層建筑剪力墻連梁受力性能的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2006.

A design example of shear-wall structure with energy dissipation

Liang Penghua

(ShanxiArchitecturalDesign&ResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper indicates the design principle for the energy dissipation and seismic reduction of buildings, explores the structural design methods for the metallic shearing dampers allocated at the continuous beams according to the structural stressed features of some shearing wall projects, so as to improve the structural seismic performance.

shearing wall, energy dissipation and seismic reduction, damper, continuous beam

1009-6825(2016)13-0049-03

2016-02-23

梁鵬花(1978- )，女，工程師

TU352

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