談昆明某幼兒園教學(xué)樓減震與抗震性能設(shè)計

杜勁泉 周 輝

(1.云南浦蘭寧建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司，云南 昆明 650300； 2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司云南分公司，云南 昆明 650300)

0 引言

由于無法確定地震的破壞力、強(qiáng)度和特性，傳統(tǒng)的抗(振)震方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)不能更有效的降低地震力對結(jié)構(gòu)的破壞，因此當(dāng)?shù)卣饋砼R，往往會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。而消能器(黏滯阻尼器)在地震來臨時，能最大限度的吸收和消耗地震力對建筑結(jié)構(gòu)的沖擊能量，有效的緩解地震對建筑結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞。其作用相當(dāng)于汽車的“安全氣囊”[1]，在受到地震沖擊時，保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)安全。本文就以實際工程來闡述減震消能技術(shù)，為其他工程提供參考。

1 工程概況

本工程為云南省昆明市安寧市某幼兒園教學(xué)樓。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)共4層，總高度14.10 m。建筑總面積為7 202.06 m2。該工程抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g),場地類別:Ⅱ類，設(shè)計地震分組：第三組，特征周期值0.45 s,抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類別(乙類建筑)。根據(jù)云南相關(guān)抗震專項審查要求，該項目需采用減隔震設(shè)計，那么要做減震設(shè)計還是隔震設(shè)計。

2 減震與隔震方案選取

本工程可選擇的方案有減震和隔震，如采取隔震方案，由于隔震設(shè)計需要在建筑底部增加隔震層，相當(dāng)于增加半地下室影響工期；故本工程最后決定采用減震設(shè)計。本工程幼兒園結(jié)構(gòu)房屋高度不高，按常規(guī)8度設(shè)防設(shè)計，常規(guī)斷面能滿足結(jié)構(gòu)剛度需求，因此采用減震產(chǎn)品時選擇不給結(jié)構(gòu)提供附加剛度的減震產(chǎn)品更合適，因此黏滯阻尼器成為本工程首選，采用黏滯阻尼器在N1震作用下提供附加阻尼，能降低地震力，經(jīng)過計算能滿足本工程的設(shè)計要求。

3 減震方案設(shè)計

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范、云南相關(guān)抗震專項審查及結(jié)合本工程相關(guān)要求，采用布置黏滯阻尼器的消能減震方案進(jìn)行減震設(shè)計。結(jié)構(gòu)需要在多遇地震下給結(jié)構(gòu)附加5%的阻尼比，即結(jié)構(gòu)阻尼比取值為5%+5%(附加)=10%，且結(jié)構(gòu)在阻尼比不附加的情況下取值為5%時仍滿足相關(guān)規(guī)范要求。阻尼器按照“均勻、分散、對稱”的原則進(jìn)行布置，且不得影響相關(guān)建筑房間的使用功能。本工程分別在結(jié)構(gòu)二層、三層布置黏滯阻尼器[2]。

4 有限元模型建立與地震波選取

4.1 模型的建立

本工程是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)模型依據(jù)YJK建立并分析計算，其結(jié)構(gòu)計算結(jié)果滿足相關(guān)的國家和地方相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。使用軟件SAP2000建立減震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行計算減震分析設(shè)計。利用SAP2000中連接單元damper模擬懸臂墻式黏滯消能器，計算其對結(jié)構(gòu)的影響。

參照《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》(試行)，在不考慮附加阻尼比的情況下，結(jié)構(gòu)仍應(yīng)能滿足GB 50011建筑抗震設(shè)計規(guī)范的多遇地震作用下彈性層間位移角限值和罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角限值。

4.2 地震波的選取

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范5.1.2條規(guī)定：選取5條實際強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符,且彈性時程時,每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%,多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。

各地震波與反應(yīng)譜計算的基底剪力對比結(jié)果如表1所示。

表1 各地震波與反應(yīng)譜計算的基底剪力對比

5 減震分析

減震結(jié)構(gòu)通常采用兩階段的分析方法，即多遇地震彈性時程分析和罕遇地震作用下彈塑性時程分析，其分析結(jié)果均應(yīng)滿足要求。

5.1 減震結(jié)構(gòu)彈性時程分析

本工程預(yù)期附加阻尼比為5%，即結(jié)構(gòu)總阻尼比為：5%+5%=10%。經(jīng)計算X方向在7條時程下平均的附加阻尼比為7.89%(7.89%×80%=6.31%)；Y方向在7條時程下平均的附加阻尼比為8.64%(8.64%×80%=6.92%)，滿足附加阻尼比為5%的預(yù)期要求。

5.2 減震結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析

5.2.1結(jié)構(gòu)彈塑性位移計算

根據(jù)《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定實施細(xì)則》第七條規(guī)定，應(yīng)通過設(shè)置消能減震裝置減小結(jié)構(gòu)的水平地震作用，使建筑抗震性能明顯提高。罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比小于0.75。不同地震波的時程分析，根據(jù)規(guī)范要求，7條地震波取平均值。本工程彈塑性分析主要計算結(jié)果如表2～表4所示。

表2 大震下減震結(jié)構(gòu)位移角 1/rad

表3 大震下非減震結(jié)構(gòu)位移角 1/rad

表4 大震下非減震結(jié)構(gòu)、減震結(jié)構(gòu)最不利層間位移角比值

綜上所述，本工程通過設(shè)置減震器以后，建筑的性能明顯提高，主要計算結(jié)果均滿足規(guī)范及審查技術(shù)導(dǎo)則的要求。

5.2.2減震結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)大震彈性位移與彈塑性位移對比

減震結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)大震彈性位移與彈塑性對比如表5～表7所示。

表5 大震下減震結(jié)構(gòu)彈性頂層位移 mm

表6 大震下減震結(jié)構(gòu)彈塑性頂層位移 mm

表7 大震下減震結(jié)構(gòu)彈性、彈塑性頂層位移比值

5.2.3結(jié)構(gòu)出鉸順序

由計算結(jié)果可知:

1)罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求的1/50,達(dá)到預(yù)期的減震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)存在較高的安全儲備,有抵御較大地震的能力；

2)從結(jié)構(gòu)時程分析塑性發(fā)展情況來看，結(jié)構(gòu)框架梁優(yōu)先出現(xiàn)鉸，后出現(xiàn)框架柱鉸，鉸的塑性發(fā)展程度較低，結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的概念設(shè)計要求,同時也滿足三水準(zhǔn)兩階段的原則,能更好的抵御和消耗地震造成的破壞。

6 結(jié)語

經(jīng)過對云南省昆明市安寧市某幼兒園教學(xué)樓進(jìn)行一系列的減震設(shè)計與分析，對其抗震性能進(jìn)行研究和理解，得出采用減震設(shè)計結(jié)構(gòu)的抗震性能可以得到很大提高，結(jié)構(gòu)安全儲備較高，該結(jié)構(gòu)能在地震到來的時候有效的保護(hù)建筑,該工程可為各地高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計提供參考。