某檢測中心的減震抗震分析

閆新，孟磊

（1.煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司，安徽 合肥 230041；2.安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230051）

1 工程概況

本項目位于舒城縣，主要功能為實驗檢測中心，四層框架結構建筑，綠建星級為二星，建筑標準層平面如圖1所示。本工程抗震設防烈度為7度（0.10g）第一組，抗震設防類別為丙類，建筑場地類別為Ⅱ類。從圖中可以看出平面凹凸尺寸大于相應邊長30%，屬于凹凸不規則。經初步計算分析考慮偶然偏心的扭轉位移比為1.45，屬扭轉偏大。鑒于實驗設備的重要性和項目的典型性，經與建設單位協商，本建筑擬采用減震設計。

圖1 建筑標準層平面圖

2 消能減震方案比選

消能減震原理：在建筑結構的某些部位設置消能（阻尼）器，在地震作用下，消能器產生摩擦、彎曲、剪切、扭轉彈塑（黏彈）性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，以減少主體結構的地震反應。減震結構設計驗算的主要內容包括：①效能器給主體結構的附加阻尼比計算，由于消能部件給結構附加了阻尼，隨著阻尼比的增加，地震影響系數曲線下降，結構地震作用下降；②非消能減震結構與消能減震結構的剪力、位移等對比；③需進行罕遇地震作用下主體結構的彈塑性層間位移驗算；④速度型效能器的極限速度和承載力驗算，位移型效能器的最大位移和承載力驗算；⑤消能子結構的截面抗震驗算及消能部件驗算，包括連接構造設計、周邊構件驗算，考慮篇幅本文略。各類減震產品的適用范圍見表1。

減震產品的適用范圍 表1

3 消能減震裝置的布置做法

消能器的常見類型可分為速度相關型、位移相關型以及其他類型。速度型效能器需進行極限速度和承載力驗算，位移型效能器需進行最大位移和承載力驗算。黏滯阻尼器是由缸筒、黏滯材料以及活塞組成，利用黏滯材料運動時產生黏滯阻尼耗散能量。在本工程減震設計中，為有效發揮消耗地震能量的效果，經反復對比消能減震器數量和位置對各層剪力和位移角的影響，最終確定沿結構的兩個主軸方向和結構變形較大的部位設置16套墻式金屬阻尼器，16套根黏滯阻尼器（VFD）。黏滯阻尼器、墻式金屬阻尼器的做法詳見圖2～圖3所示。黏滯阻尼器參數表和金屬抗震耗能器參數表分別見表2～表3。

黏滯阻尼器參數表 表2

金屬抗震耗能器參數表 表3

圖2 墻式阻尼器懸臂墻在隔墻內做法

圖3 墻式黏滯阻尼器立面圖

4 地震波的選用

本工程根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第5.1.2 條規定選取了2條實際強震記錄和1條人工模擬加速度時程曲線作為輸入。對比結果如表4、表5所示，計算結果表明，每條地震波所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，不大于135%。且至少有1條波所得的結構底部剪力計算結果大于振型分解反應譜發計算結果。由此表明時程波選取合適，滿足規范要求。在施工圖設計階段，要求將采用地震波包絡值與振型分解反應譜法的最大值進行小震彈性設計，設計時通過對反應譜計算結果進行放大來計算結構的內力、變形。

圖4 地震波時程曲線

圖5 地震波頻譜特性

5 阻尼器附加阻尼比計算

5.1 理論計算

消能部件附加給結構的有效阻尼比計算方法常見的有：能量法、自由振動衰減法、能量比較法、結構響應對比法等方法。能量法是基于規范反應譜工況的一種迭代算法，計算反應譜工況下的結構總應變能、效能器耗能，根據能量公式計算所得到附加阻尼的試算值再代入結構進行反應譜分析，迭代收斂后即得到附加阻尼比。本工程采用抗震規范規定的能量法進行計算。具體公式見《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第12.3.4條和《建筑消能減震技術規程》（JGJ 297-2013）的第6.3.2條第5。其中的λ（阻尼指數的函數）本工程取值3.70。

地震波信息 表4

基底剪力對比 表5

5.2 計算結果

根據阻尼器模擬迭代樓層位移和地震力。附加阻尼比，直至收斂。表6表示的是計算得到的附加阻尼比。由計算結果可知，X和Y方向最小的附加阻尼比分別為4.12%和3.96%，在反應譜設計中取3%的附加阻尼比。

6 罕遇地震作用下消能減震結構彈塑性分析

彈塑性時程分析能夠較為真實地反映結構在設防、罕遇地震下部分構件進入塑性后的結構受力狀態，但是其計算結果難于直接用于結構設計。根據彈塑性時程分析中結構構件損傷的位置及程度，對彈性反應譜模型的結構構件進行相應剛度折減，使等效彈性反應譜計算的底部地震剪力與彈塑性時程計算的底部剪力接近，以反映結構真實受力狀態。計算軟件采用由廣州建研數力建筑科技有限公司開發的SAUSAGE（Seismic Analysis Usage）。

本工程選擇三條時程波進行罕遇地震作用下的結構計算，結果顯示消能減震結構的X、Y向彈塑性最大層間位移角為1/133、1/148，滿足《建筑抗震設計規范》第5.5.5條1/50的限值要求。在罕遇地震作用下設置阻尼器的消能減震結構呈現“強柱弱梁”的塑性鉸發展機制，根據整體結構出鉸情況、位移角以及主要構件的塑形損傷位置，確認結構可滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防三水準目標的規范要求。且帶阻尼器子框架均未達到極限承載力，沒有出現破壞，滿足《建筑消能減震技術規程》中的要求，這表明主體結構在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠按預期目標得到有效控制和改善。

附加阻尼比匯總 表6

7 結語

通過對減震結構在7度（0.1g）地震作用下進行反應譜分析和彈塑性時程分析，對比多遇地震作用下和罕遇地震作用下結構的反應，通過分析表明結構采用消能減震設計方案具有良好的抗震效果，主要體現在以下幾個方面：

①在結構設置金屬阻尼器和黏滯阻尼器后，結構位移明顯減少，考慮偶然偏心的扭轉位移比可控制在1.4以下，且梁柱配筋減小，柱截面可進一步優化，金屬阻尼器可以提高結構抗側剛度、改善結構的抗扭性能以及增強結構的耗能能力；

②在多遇地震作用下，結構附加阻尼器減震設計后主體結構的抗震性能明顯改善；

③在罕遇地震作用下設置阻尼器的消能減震結構呈現“強柱弱梁”的塑性鉸發展機制，根據整體結構出鉸情況、位移角以及主要構件的塑形損傷位置，確認結構可滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防三水準目標的規范要求。且帶阻尼器子框架均未達到極限承載力，沒有出現破壞，滿足《建筑消能減震技術規程》中的要求，這表明主體結構在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠按預期目標得到有效控制和改善。