某醫技樓減震彈性時程分析

劉玲華，高 樂，王 琦

(西安工商學院，陜西 西安 710200)

0 前 言

隨著我國社會經濟的飛速發展、城市化進程的加快及人們生活水平的不斷提高，建筑結構的安全問題愈來愈受到各方重視。我國是地震多發國家，結構的抗震問題一直都是結構設計師們所考慮的最直接、最根本的問題。傳統的結構抗震設計方法即通過合理地增大結構構件的截面面積，改變結構構件的配筋率及提高材料的強度，來達到預期的抗震效果。然而這些方法存在諸多弊端，尤其是不能充分地發揮結構及其構件的延性作用。基于此，人們提出在結構中安裝耗能減震裝置——阻尼器來減輕建筑結構的地震作用。

本文以某醫技樓為研究對象，探討了阻尼器在結構中的優化布置及其減震效果分析，以期為結構減震設計提供參考。

1 消能減震阻尼器布置

1.1 消能減震裝置的布置要求

1)本工程減震建筑之要求為在多遇地震下，其建筑主體結構仍保持彈性，且非結構構件無明顯損壞；在罕遇地震考慮下，其減震阻尼器系統仍能正常發揮功能。

2)阻尼器配置在層間相對位移或相對速度較大的樓層，條件允許時應采用合理形式增加消能器兩端的相對變形或相對速度，以提高消能器的減震效率。

3)消能減震結構設計時按各層消能部件的最大阻尼力進行截面設計。

4)阻尼器支撐相連接構件(關鍵構件)在罕遇地震作用下仍維持彈性或不屈服狀態。

5)阻尼器及支撐的布置應基本滿足建筑使用上的要求，并盡量對稱布置，為了保護阻尼器的耐久性，可采用輕質強度低的防火材料作隔板把阻尼器包裹在隔墻中間。

1.2 消能減震裝置的布置方案

在本工程減震設計中，為確保新結構層間剛度平穩變化，以避免生成新的薄弱層，決定將消能支撐體系逐層緩變地安裝在原結構上，經試算，在1～5層共安裝46個粘滯阻尼器，其中VFD：阻尼系數C=630 kN×(s/m)α，α=0.2；反套索式布置，數量21個。VFD：阻尼系數C=460 kN×(s/m)α，α=0.2；反套索式布置，數量25個。粘滯阻尼器及支撐的平面布置位置如圖1所示(VFD*代表粘滯阻尼器)。結構三維空間簡圖如圖2所示。

(a)1層阻尼器布置圖

圖2 模型三維空間簡圖

2 結構模型準確性驗證

不帶粘滯阻尼器模型是從YJK轉入ETABS，在ETABS中建立非線性連接單元模擬粘滯阻尼器，通過YJK與ETABS計算結構前三階周期，并對其周期、質量進行對比，結果見表1。

表1 模型信息比對

計算結果表明，結構的前三階周期與模態以及結構的總質量吻合均較好，導入的模型可以進行后續的分析。

3 地震波的選取

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(2016年版)5.1.2規定，選取三條地震波進行歸一化處理，處理之后的兩條天然波與一條人工波如圖3所示。

圖3 地震波的選取

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(2016年版)的要求，8度區地震加速度取0.3 g，時程分析的地震波峰值加速度為110 cm/s2，Tg=0.4 g。

4 基于彈性時程的減震效果分析

采用ETABS分別計算減震結構、非減震結構在地震作用下的響應。

4.1 層間位移角對比

圖4數據對比顯示，對于非減震結構其層間位移角有很大一部分都超過了抗震設計規范對于多層框架結構規定的層間位移角限值1/550。而若是通過增加結構構件的截面積，將會影響建筑的使用功能要求。在結構中布置一定量的阻尼器后，明顯減小了地震作用，滿足了抗震規范規定的位移角限值。

(a)人工波1作用下的層間位移角對比

4.2 層間剪力對比

由圖5的數據對比分析可以得知，在減震結構中布置阻尼器，樓層剪力得到明顯的優化，達到了減輕建筑結構的地震作用的效果。

(a)人工波1作用下的層間剪力對比

4.3 結構底部剪力對比

結構底部剪力對比結果見表2～4。

表2 時程計算基底剪力與CQC對比(非減震結構)

表3 非減震結構時程計算基底剪力與CQC對比(規范選波要求)

表4 時程計算基底剪力與CQC對比(減震結構)

由表2～4可知，減震結構有效降低了結構的基底剪力，在降低了結構的基底剪力后，將有助于減小結構構件受力的大小，可以在結構設計過程中減小結構構件的截面尺寸，進而降低工程的造價。

4.4 阻尼器典型滯回曲線

滯回曲線見圖6。由圖6可知，阻尼器在小震階段即開始工作，且滯回曲線飽滿，能夠充分發揮減震耗能作用。

(a)

5 結 論

消能減震技術主要是通過在結構的某些部位(節點、連接縫、層間空間等)增設減震裝置，或把結構中某些非承重構件(連接件、剪力墻、支撐等)設計成耗能構件，為結構提供一定的附加剛度和附加阻尼。在地震作用下，這些耗能部件率先進入非彈性狀態，產生較大阻尼，大量耗散輸入結構的能量，減輕主體結構進入非彈性狀態的可能，從而更好地保護主體結構的安全，確保其在強震中的安全和強風中的正常使用。

結合本例的計算分析過程，可知本工程主體結構增設粘滯阻尼器后，樓層剪力、位移，基底剪力均得到了明顯的優化，地震作用下阻尼器擁有飽滿的滯回曲線，說明其很好地發揮了減震耗能作用，大大減小了結構的地震響應，結構的抗震性能有了較大的提升。

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