大理市某中學宿舍樓消能減震分析與設計

摘要：大理市某中學宿舍樓建設項目是高烈度區(qū)典型的學校類建筑，主體結(jié)構(gòu)采用了框架結(jié)構(gòu)，采用了基于摩擦型抗震消能器的消能減震技術進行主體結(jié)構(gòu)設計，摩擦型消能器采用了墻式連接，在小震下起滑耗能，為主體結(jié)構(gòu)提供一定的剛度和附加阻尼比。對消能減震結(jié)構(gòu)進行了反應譜分析，小震時程分析，罕遇地震彈塑性時程分析，并與常規(guī)結(jié)構(gòu)進行了對比，分析了減震效果。采用消能減震技術，顯著改善了結(jié)構(gòu)指標，減小了地震作用，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

關鍵詞：學校建筑;消能減震;高烈度區(qū);摩擦消能器;墻式連接;附加阻尼比

Abstract： A middle school dormitory building is a typical educational building in high earthquake intensity regions. The main structure is designed with seismic energy dissipation technology based on friction energy dissipation device. The main building is frame structure. The fiction energy dissipation device slips under multiple earthquake and it provides a certain additional stiffness and additional damping ratio. The energy dissipation structure was analysised by response spectrum method， time history analysis and elastic-plastic time history analysis. The analysis results is compared to conventional structure. The seismic performance and structure index is improved by energy dissipation technology. The seismic effect is significantly reduced.

Keywords： school building; energy dissipation; high intensity regions; friction energy dissipation device;wall connection; ?additional damping ratio

1 ?工程概況

本工程為學校建筑，地上6層（局部7層），結(jié)構(gòu)高度18.0m，建筑面積3865m2。根據(jù)《云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定》屬于必須采用減隔震技術的建筑工程。為符合政策法規(guī)要求，并實現(xiàn)本項目結(jié)構(gòu)設計的安全、合理、經(jīng)濟，切實提高本工程的抗震性能，依據(jù)國家相關規(guī)范及云南省的相關規(guī)定進行了本工程的消能減震設計。

根據(jù)本項目業(yè)主和建筑要求，采用了基于墻式連接的摩擦型抗震阻尼器的消能減震方案。本工程中所有摩擦型抗震阻尼器在小震下起滑耗能，阻尼器為結(jié)構(gòu)提供一定的剛度的同時，在結(jié)構(gòu)的兩個主要方向上為主體結(jié)構(gòu)提供一定的附加阻尼比，在中大震下持續(xù)穩(wěn)定耗能。

結(jié)構(gòu)設計參數(shù)方面，本工程抗震設防分類為乙類，抗震設防烈度為8度0.20g，場地類別為II類，特征周期0.45s。

作為高烈度區(qū)的框架結(jié)構(gòu)，地震作用較大，結(jié)構(gòu)自身的抗側(cè)抗扭剛度較弱，層間位移大，常規(guī)結(jié)構(gòu)手段設計梁柱尺寸配筋均較大，從結(jié)構(gòu)設計角度，采用消能減震技術是合適的。

《云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定》第三條第二點指出，8度以上區(qū)域內(nèi)單體建筑面積1000平方米以上的重點設防類、特殊設防類建筑工程應當采用隔震減震技術。因此從政策角度來看本項目也必須采用隔震減震技術。

1.1消能減震設計的規(guī)范及政策依據(jù)

《建筑抗震設計規(guī)范》 ? ? ? ?GB50011-2010

《建筑消能減震技術規(guī)程》 ? ?JGJ297-2013

《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》 ? ? ?GB50010-2010

《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》 ? ? ? ? ?GB50017-2017

《云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定》及細則

《云南省建筑消能減震設計與審查技術導則》

（下文中分別簡稱抗規(guī)、消規(guī)、混規(guī)、鋼規(guī)、云南省細則、云南省導則）

1.2 消能減震方案

1.2.1 阻尼器選型

本項目屬于高烈度區(qū)項目，主體結(jié)構(gòu)為框架，同時存在地震力較大及剛度較弱的問題，因此從技術角度考慮，采用可同時提供剛度和小震下附加阻尼比的阻尼器類型較為適用，《建筑消能減震技術規(guī)程》中3.1.5條指出“金屬消能器、摩擦消能器和黏彈性消能器能為主體結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比和附加剛度”，因此這三種阻尼器較為適用。

從經(jīng)濟性角度考慮，《建筑消能減震技術規(guī)程》中3.1.5條也指出金屬消能器與摩擦消能器費用較低。

根據(jù)規(guī)范建議，同時考慮本工程希望提供較高的附加阻尼比，方便子結(jié)構(gòu)設計，最終選定摩擦型抗震阻尼器進行本工程的消能減震設計。

1.2.2 阻尼器布置

阻尼器的布置遵循規(guī)范建議的“對稱、周邊、均勻、分散”的原則，布置在結(jié)構(gòu)的主要樓層上，布置情況如下：

本單體的阻尼器布置及附加阻尼比情況如表1所示。

1.2.3 阻尼器的連接形式

考慮到本工程的建筑接結(jié)構(gòu)特點，采用性價比較高的墻式連接形式，也稱中間柱型連接，既能滿足結(jié)構(gòu)要求，也可完全放置于建筑墻體中，不對建筑的使用和外觀產(chǎn)生影響。

2 ?消能減震計算分析

2.1 ?多遇地震反應譜分析

采用PKPM軟件進行了本項目消能減震結(jié)構(gòu)的小震反應譜分析。

對于小震反應譜分析中的消能部件的有效剛度和抗震阻尼器提供的附加阻尼比，則按照《建筑消能減震技術規(guī)程》6.3.3條或6.3.4條規(guī)定的反應譜迭代的方法計算。

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)位移滿足規(guī)范要求，且有一定余量，最大位移角為1/645，滿足云南省不大于1/610的要求，同時附加阻尼比計算結(jié)果的80%大于目標附加阻尼比3.0%的要求。結(jié)構(gòu)無明顯扭轉(zhuǎn)，也無薄弱層和軟弱層，整體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果滿足要求。

2.2 ?多遇地震時程分析

采用MIDAS/gen進行了消能減震結(jié)構(gòu)的小震時程分析，對阻尼器進行了真實建模，阻尼器單元采用了一般連接單元，按照實際的連接墻及阻尼器參數(shù)輸入計算模型中。

選擇7條地震波進行小震時程分析，結(jié)果表明阻尼器工作狀況符合設計要求，結(jié)構(gòu)指標均可被反應譜結(jié)果所包絡。

2.3 ?罕遇地震彈塑性時程分析

《建筑抗震設計規(guī)范》中5.5.2條規(guī)定：采用隔震和消能減震設計的結(jié)構(gòu)，應進行彈塑性變形驗算，同時為進一步驗證本工程消能減震結(jié)構(gòu)在大震下的性能以及阻尼器的工作情況，采用MIDAS GEN軟件進行了罕遇地震作用的動力彈塑性時程分析。選用地震波與前文中的小震彈性時程分析是一致的（驗算表明，罕遇地震下場地特征周期增加0.05秒后，所需地震波仍然滿足與反應譜在統(tǒng)計意義上相符的要求），共進行了七條波，每條波均對X、Y向分別進行了動力彈塑性時程分析。

分析模型中框架梁的塑性鉸采用My、Mz方向的彎曲鉸，滯回模型采用修正的武田三折線模型，參數(shù)設置如圖6所示?？蚣苤乃苄糟q采用PMM鉸，滯回模型采用隨動硬化模型，參數(shù)設置如圖7所示。

罕遇地震結(jié)果統(tǒng)計如下表所示（以X向為例），X、Y向罕遇地震作用下的最大層間位移角分別為1/156和/144，均滿足規(guī)范1/50的要求，也滿足云南省1/100的要求，可見采用消能減震技術手，結(jié)構(gòu)的抗震性能良好。

X向在人工波1罕遇地震作用下的最終出鉸圖如圖8所示，大部分的框架梁和部分框架柱均出現(xiàn)了塑性鉸，其中框架梁多數(shù)出現(xiàn)第一階至第二屈服階段的塑性鉸;框架柱出現(xiàn)的塑性鉸多數(shù)為第一階段屈服，部分位置出現(xiàn)第二屈服階段的塑性鉸，實際施工圖設計時將對這些位置的構(gòu)件配筋進行有針對性的加強，總體來看框架柱的塑性鉸開展程度較輕，結(jié)構(gòu)塑性開展情況符合抗震概念設計和結(jié)構(gòu)設計要求。其余地震波工況下結(jié)構(gòu)出鉸均類似。

3 ?消能減震專項設計

3.1 ?消能器的設計位移

根據(jù)罕遇地震計算結(jié)果，確定了阻尼器的設計位移如表5所示，設計位移將作為阻尼器的檢測依據(jù)。

3.2 ?減震效果分析

為反應阻尼器的作用，將彈塑性分析的模型去除所有的消能部件，主體結(jié)構(gòu)配筋和構(gòu)件尺寸不變，形成非減震結(jié)構(gòu)，對此非減震結(jié)構(gòu)再進行了罕遇地震作用的彈塑性分析，對比減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)罕遇地震下各層七條波平均位移角如表7所示。可見減震結(jié)構(gòu)的位移角與非減震結(jié)構(gòu)對應樓層的位移角之比值的最小值小于75%，提現(xiàn)了消能減震結(jié)構(gòu)在抗震性能上的優(yōu)勢，符合云南省的要求。

3.2 ?消能子結(jié)構(gòu)的設計

由《建筑消能減震技術規(guī)程》中6.4.2條第1款：消能子結(jié)構(gòu)中梁、柱、墻構(gòu)件宜按重要構(gòu)件設計，并應考慮罕遇地震作用效應和其他荷載作用標準值的效應，其值應小于構(gòu)件極限承載力。

按照規(guī)范要求，對本工程的所有消能子結(jié)構(gòu)（與消能部件直接相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件）按重要構(gòu)件設計，如消能部件布置豎向不連續(xù)，則最下部的消能子結(jié)構(gòu)往下延伸一層的豎向構(gòu)件也按消能子結(jié)構(gòu)設計。

所有消能子結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用的復核驗算，地震和其它荷載作用取標準值，材料強度取極限值，對消能子結(jié)構(gòu)的框架梁進行受彎、受剪的驗算，對消能子結(jié)構(gòu)的框架柱，采用PM包絡線按壓彎構(gòu)件進行驗算（典型算例如圖10所示），驗算結(jié)果表明所有消能子結(jié)構(gòu)的框架梁柱均滿足規(guī)范要求。

3.3 ?消能器節(jié)點設計

《建筑消能減震技術規(guī)程》7.1.5條規(guī)定消能器的支撐或連接元件或構(gòu)件、連接板應保持彈性;7.1.6 與位移相關型或速度相關型消能器相連的預埋件、支撐和支墩、剪力墻及節(jié)點板的作用力取值應為消能器在設計位移或設計速度下對應阻尼力的1.2倍。

消能器相關節(jié)點采用大震彈性設計，消能器出力取極限值，材料強度取設計值。

消能器兩側(cè)應注意預留不小于設計位移的變形空間，采用柔性材料填充，同時消能器所在砌體位置應采用專門做法，防止墻體開裂或漏水。

4 ?結(jié)論

對某高烈度區(qū)的教育類建筑的消能減震方案及設計進行了計算分析，得出如下結(jié)論：

1）選用阻尼器為規(guī)范推薦的常用阻尼器類型，產(chǎn)品類型及連接形式應用較多，成熟可靠;

2）阻尼器數(shù)量、布置符合規(guī)范要求;

3）減震結(jié)構(gòu)的整體指標符合規(guī)范要求;

4）小震反應譜、小震時程分析計算結(jié)果符合預期目標;

5）結(jié)構(gòu)罕遇地震的彈塑性分析結(jié)果符合規(guī)范要求;

6）阻尼器的工作狀態(tài)符合設計要求;

7）減震效果明顯，消能減震結(jié)構(gòu)的減震率符合要求;

8）阻尼器的連接和節(jié)點按大震彈性設計，設計原則符合規(guī)范要求;

9）消能子結(jié)構(gòu)按規(guī)范要求進行專項設計，按小震計算結(jié)果和罕遇地震結(jié)果進行復核，符合規(guī)范要求。

本工程的目前已順利通過了抗震專項審查及施工圖審查，減震方案經(jīng)濟合理，值得在高烈度區(qū)的類似項目中借鑒。

參考文獻

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[5] MIDAS/GEN 用戶手冊[M]. 北京：北京邁達斯技術有限公司，2008

作者簡介：楊青（1985– ），女，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設計工作。