楊 小 兵

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030024)

某中學(xué)宿舍樓的消能減震設(shè)計與分析

楊 小 兵

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030024)

介紹了消能減震的原理，分析了采用屈曲約束支撐和非線性黏滯阻尼器的某中學(xué)宿舍樓的消能減震設(shè)計方法，并經(jīng)過動力時程分析結(jié)果顯示:該消能減震結(jié)構(gòu)能顯著地降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

消能減震,屈曲約束支撐,非線性黏滯阻尼器,結(jié)構(gòu)

1 消能減震原理

消能減震結(jié)構(gòu)體系，就是把建筑的某些構(gòu)件設(shè)計成消能構(gòu)件，或在建筑的某些部位裝設(shè)消能裝置。在風荷載作用下或小震時，這些消能構(gòu)件或消能裝置處于彈性狀態(tài)，具有足夠的剛度以滿足使用要求；當出現(xiàn)中、強地震時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能構(gòu)件或消能裝置率先進入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，使結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)明顯的非彈性狀態(tài)，并且迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)(位移、速度、加速度等)，從而保護主體結(jié)構(gòu)及其他構(gòu)件免遭破壞，以確保主體結(jié)構(gòu)的安全[1]。

地震時結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換過程可以簡化為下式:

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)：Ein=ER+ED+ES。

消能減震結(jié)構(gòu)：Ein=ER+ED+ES+EA。

其中，Ein為地震時輸入結(jié)構(gòu)的地震能量；ER為結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的能量，即結(jié)構(gòu)振動的動能和勢能；ED為結(jié)構(gòu)阻尼消耗的能量(一般不超過5%)；ES為主體結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件非彈性變形(或損壞)消耗的能量；EA為消能構(gòu)件或消能裝置消耗的能量。

對比以上兩式可知，在地震作用下輸入結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的動能、勢能、結(jié)構(gòu)阻尼耗能、變形耗能等。在消能減震體系中，消能構(gòu)件或消能裝置吸收了大部分能量，從而減小了主體結(jié)構(gòu)承受的地震能量，達到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)，保護主體結(jié)構(gòu)的目的[2]。

2 工程概況

某中學(xué)宿舍樓長98 m，寬14 m，高23 m，地下1層，地上6層，層高均為3.6 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震等級為一級，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，建筑場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第一組。結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 地震波的選用

本工程設(shè)計采用7條地震波：人工地震波2條(RH2波,RH4波)和天然地震波5條(ELC波,OLY波,TH1波,TH4波,TAF波)。

3.2 等效附加阻尼比的計算

為了確定結(jié)構(gòu)設(shè)置黏滯阻尼器以后結(jié)構(gòu)總等效阻尼比的數(shù)值，本工程采用ETABS軟件進行了結(jié)構(gòu)在7條地震波(2條人工波、5條天然波)作用下的結(jié)構(gòu)減震分析，同時為便于對比，在10%阻尼比條件下采用SATWE軟件對該結(jié)構(gòu)進行了計算分析，基于ETABS和SATWE兩種軟件的結(jié)構(gòu)樓層剪力和層間位移角的計算結(jié)果見表1～表4。結(jié)果表明：采用ETABS模型計算得到的實際樓層剪力和層間位移角優(yōu)于SATWE模型采用10%阻尼比計算得到的折算樓層剪力和層間位移角，說明通過在結(jié)構(gòu)增設(shè)非線性黏滯阻尼器，能夠達到5%附加阻尼比的減震控制要求，且一定程度上改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)可以采用10%總等效阻尼比進行設(shè)計，偏于安全。

表1 多遇地震X向ETABS減震模型各層剪力和SATWE 10%阻尼比模型各層剪力對比

表2 多遇地震Y向ETABS減震模型各層剪力和SATWE 10%阻尼比模型各層剪力對比

表3 多遇地震X向ETABS減震模型層間位移角倒數(shù)和SATWE 10%阻尼比模型層間位移角倒數(shù)對比

表4 多遇地震Y向ETABS減震模型層間位移角倒數(shù)和SATWE 10%阻尼比模型層間位移角倒數(shù)對比

3.3 消能構(gòu)件布置

為使結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下能滿足規(guī)范[3]的要求，提高整體結(jié)構(gòu)的抗震安全性能，經(jīng)計算，共選用28個屈曲約束支撐和15個非線性黏滯阻尼器，其中：X方向布置6個非線性黏滯阻尼器、Y方向布置28個屈曲約束支撐和9個非線性黏滯阻尼器。屈曲約束支撐和非線性黏滯阻尼器的安裝示意圖分別見圖2和圖3，屈曲約束支撐和非線性黏滯阻尼器的設(shè)計參數(shù)見表5和表6。

表5 屈曲約束支撐參數(shù)

表6 非線性黏滯阻尼器參數(shù)

3.4 結(jié)構(gòu)水平剪力計算

多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向,Y向?qū)娱g剪力計算對比分別見表7和表8。由表可見，在多遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層剪力有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達31.53%，Y方向最大減震效果達40.31%?？梢姡Y(jié)構(gòu)中增設(shè)減震裝置后，有效提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表7 多遇地震下X向?qū)娱g剪力對比

表8 多遇地震下Y向?qū)娱g剪力對比

3.5 結(jié)構(gòu)水平位移計算

多遇、罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)X向，Y向?qū)娱g位移角倒數(shù)的計算值分別見表9～表12。由表可見，在多遇地震作用下，非減震結(jié)構(gòu)彈性層間位移角較大，在采取消能減震后，X向?qū)娱g位移角明顯減小，最大減震效果達32.7%；Y向?qū)娱g位移角亦有較大幅度減小，最大減震效果達到41.82%。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角限值均滿足規(guī)范[3]的要求，在采取消能減震后，X向?qū)娱g位移角減小，減震效果達13.20%；Y向?qū)娱g位移角也有一定地減小，最大減震效果達到42.13%?？梢姡Y(jié)構(gòu)中增設(shè)減震裝置后，有效提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表9 多遇地震下X向?qū)娱g位移角倒數(shù)(1/θ)

表10 多遇地震下Y向?qū)娱g位移角倒數(shù)(1/θ)

表11 罕遇地震下X向?qū)娱g位移角倒數(shù)(1/θ)

表12 罕遇地震下Y向?qū)娱g位移角倒數(shù)(1/θ)

4 結(jié)語

通過對某中學(xué)宿舍樓進行消能減震設(shè)計并對其進行動力時程分析，得到以下結(jié)論：

屈曲約束支撐(BRB)，是一種有效的耗能減震構(gòu)件，無論受拉還是受壓都能達到承載全截面屈服的軸向受力構(gòu)件，表現(xiàn)出相同的滯回性能和優(yōu)良的耗能能力，這種特性使它既能為主體提供必要的抗側(cè)剛度，又可為主體結(jié)構(gòu)提供一定的附加阻尼，降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)。BRB的應(yīng)用解決了普通支撐發(fā)生失穩(wěn)破壞的問題，較之傳統(tǒng)的支撐構(gòu)件，它具有更穩(wěn)定的力學(xué)性能。采用BRB的結(jié)構(gòu)延性好，耗能強，而且施工進度快，質(zhì)量可靠。

黏滯阻尼器作為速度相關(guān)型阻尼器，小震下可以產(chǎn)生較小阻尼力，起到一定的消能減震作用，中、大震下則能夠消耗更多的地震能量。

BRB和黏滯阻尼器作為結(jié)構(gòu)耗能元件，可起到類似“結(jié)構(gòu)保險絲”的作用，既可保護主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，又可在遭遇大震或特大震后，起到防止倒塌的關(guān)鍵作用，即便受損也可方便更換，可減小地震后的修復(fù)時間和費用。安裝BRB和黏滯阻尼器的建筑物經(jīng)受強烈地震后，主體結(jié)構(gòu)將不破壞或少破壞，從而保護建筑物內(nèi)生命和財產(chǎn)安全，建筑物不僅能保證“小震不壞，中震可修，大震不倒”的基本抗震設(shè)防目標，還可達到更高的設(shè)防目標“小震經(jīng)濟，中震不壞，大震易修，余震不倒”，是新型節(jié)能、環(huán)保、低碳、綠色的技術(shù)，消能減震結(jié)構(gòu)體系和傳統(tǒng)抗震體系相比具有安全、經(jīng)濟、技術(shù)合理等特點，為“以剛克剛”的傳統(tǒng)抗震設(shè)計理念向“以柔克剛”的科學(xué)理念轉(zhuǎn)化提供了行之有效的技術(shù)保障。

[1] 周 云.耗能減震結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 蘇冠興，李世宏.中小學(xué)教學(xué)樓消能減震設(shè)計與分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2013(sup):5.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

On design and analysis of seismic energy dissipation in dormitory buildings of some middle school

Yang Xiaobing

(ArchitecturalDesignandResearchInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The paper introduces the principle for the seismic energy dissipation, analyzes the dissipation design methods of adopting the buckling restraining brace and non-linear viscous damper in the dormitory building of some middle school, and proves by the analysis results of the dynamic and time-historical analysis that the dissipation structure can obviously lower the seismic response of the structure and improve its anti-seismic performance.

seismic energy dissipation, buckling restraining brace, non-linear viscous damper, structure

2015-01-05

楊小兵(1981- )，男，工程師

1009-6825(2015)08-0056-02

TU352

A