陳凌蔚

(福建建工集團(tuán)總公司　福建福州　350000)

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高層建筑中隔震與防屈曲耗能支撐技術(shù)適用性相關(guān)問(wèn)題探討

陳凌蔚

(福建建工集團(tuán)總公司福建福州350000)

在同一棟框架剪力墻建筑上分別采用防屈曲支撐體系和基礎(chǔ)隔震體系，對(duì)比研究了這兩種體系對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)上的基底剪力與最大加速度減震能力，最后綜合兩種結(jié)構(gòu)體系的減震能力、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工效率、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，歸納出兩種體系的特點(diǎn)及適用范圍。

基礎(chǔ)隔震體系；防屈曲耗能支撐體系；耗能減震；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

0　引言

在同一座框架剪力墻結(jié)構(gòu)上分別設(shè)置基礎(chǔ)隔震體系和防屈曲支撐體系[1]。本文首先介紹了基礎(chǔ)隔震體系設(shè)計(jì)，計(jì)算了其水平向減震系數(shù);其次介紹了防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程；然后，找出兩種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的各自特點(diǎn)。接著，結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)Etabs有限元分析軟件建立3種不同的結(jié)構(gòu)模型，對(duì)兩種不同體系進(jìn)行地震反應(yīng)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)詳細(xì)分析。

1　工程概況

本項(xiàng)目為一中學(xué)宿舍，位于福建省福州市閩侯縣甘蔗鎮(zhèn)，為一座18層鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。每層層高3m，建筑總高度54m，高寬比為3.75，建筑物平面布置圖如圖1所示?？拐鹪O(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g。設(shè)計(jì)地震分組第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.4s。用Etabs軟件對(duì)其進(jìn)行建模，平面布置圖如圖1所示，梁柱截面尺寸如表1。

圖1　工程算例平面布置圖表1　結(jié)構(gòu)梁柱截面尺寸

樓層構(gòu)件剪力墻(mm)柱(mm)主梁1(mm)主梁2(mm)13～18層200550×550500×250450×2007～12層250600×550550×250500×2001～6層250600×600600×300500×250

2　基礎(chǔ)隔震體系設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算，初步確定支座的直徑為φ600、φ800兩種。由于該樓較高，風(fēng)荷載作用下隔震層受到的層間剪力較大，為了滿足隔震層的抗風(fēng)要求，隔震層角部和周邊隔震支座全部選用鉛芯橡膠隔震支座同時(shí)使隔震層具有一定的抗扭剛度 ，隔震層周邊和角部的隔震支座選用較大的隔震支座[2～4]。布置28個(gè)LNR600、16個(gè)LRB800，總計(jì)44個(gè)隔震支座。隔震層平面簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2　隔震層平面簡(jiǎn)圖

3　隔震結(jié)構(gòu)水平向減震系數(shù)

《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2010版》12.2.5條2款規(guī)定：水平向減震系數(shù)，對(duì)于多層建筑，為按彈性計(jì)算所得的隔震和非隔震各層層間剪力的最大比值。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)計(jì)算隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值，并與層間剪力的最大比值相比較，取二者的較大值，該系數(shù)反映了隔震結(jié)構(gòu)的減震效果。

經(jīng)Etabs軟件計(jì)算本結(jié)構(gòu)隔震與非隔震各層傾覆力矩的最大比值為0.37。本結(jié)構(gòu)的X向?qū)娱g剪力及層間剪力比見(jiàn)表2。

表2　結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g剪力及層間剪力比

從表 2可以看出，時(shí)程分析計(jì)算出的隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的最大層間剪力比分別為 0.39。即水平向減震系數(shù)為0.39，滿足《抗震規(guī)范2010版》12.2.5條7度上部結(jié)構(gòu)降1度設(shè)計(jì)的要求。

4　防屈曲支撐體系設(shè)計(jì)

防屈曲支撐的布置原則和普通支撐的布置原則類似，在平面上，盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心重合，在立面上，應(yīng)避免因局部的剛度削弱形成薄弱層，造成應(yīng)力集中。對(duì)于建筑物建議彈性分析時(shí)防屈曲耗能支撐所承受的層剪力 和層間總剪力滿足，對(duì)于框架結(jié)構(gòu) 宜取0.4～0.6。本結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，可以適當(dāng)?shù)販p小， 取0.3～0.6。通過(guò)計(jì)算，初步確定防屈曲支撐面積分別為1～6層：2 940mm ，7～12層：2 440mm ，13～18層：1 960mm 。防屈曲支撐布置立面圖、三維立體圖如圖3、圖4所示。

圖3　工程算例立面圖

圖4　工程算例空間三維立體圖

5　隔震結(jié)構(gòu)、防屈曲支撐結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對(duì)比

防屈曲耗能支撐具有較強(qiáng)的非線性，所以本節(jié)選用時(shí)程分析法對(duì)原結(jié)構(gòu)、防屈曲支撐結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)的性能作對(duì)比分析。

5.1加速度反應(yīng)分析

列原結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)、防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)在3種波下的加速度峰值如表3～表5 所示。

表3　El centro波下兩種結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值及減震率比較

表4　Taft波下兩種結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值及減震率比較

表5　人工波下兩種結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值及減震率比較

結(jié)果表明，在小震作用下，隔震結(jié)構(gòu)對(duì)比原結(jié)構(gòu)，加速度反應(yīng)峰值最大減小了45.05%；而在大震作用下，相比原結(jié)構(gòu)，加速度反應(yīng)峰值最大減小了76.30%。

小震作用下，防屈曲支撐結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)的頂層加速度稍有減小，最大減小幅度為8.00%；而在大震作用下，相比原結(jié)構(gòu)，防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)峰值最大減小了19.19%，可見(jiàn)防屈曲耗能支撐體系在大震作用下的耗散能量有所增加。而防屈曲支撐體系與隔震體系對(duì)比，無(wú)論在小震還是大震的作用下，對(duì)頂層加速度峰值的減震效果都不顯著。

5.2基底剪力分析

列原結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)、防屈曲耗能支撐結(jié)構(gòu)在3種波下的的基底剪力值如表6～表8所示。

表6　El centro波下兩種結(jié)構(gòu)基底剪力及減震率比較

表7　Taft波下兩種結(jié)構(gòu)基底剪力及減震率比較

表8　人工波下兩種結(jié)構(gòu)基底剪力及減震率比較

小震作用下，防屈曲耗能支撐體系的基底剪力稍有增大，最大增大幅度為6.37%。在小震下防屈曲支撐不進(jìn)入耗能狀態(tài)，由于沒(méi)有塑性變形，所以只能提供剛度不提供阻尼，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)只加入一個(gè)附加側(cè)向支撐。結(jié)構(gòu)加入附加側(cè)向支撐后，建筑物的剛度增大，自振周期變小。而在地震反應(yīng)譜曲線中，對(duì)于長(zhǎng)周期的建筑，周期減小對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)增大，所以地震反應(yīng)增大；而剛度變大，樓層層間位移減小，耗散能量也就變小。所以小震下，防屈曲支撐結(jié)構(gòu)基底剪力有所增大是合理的。

在大震作用下，相比原結(jié)構(gòu)，防屈曲耗能支撐體系通過(guò)耗散地震能量，使得其結(jié)構(gòu)的基底剪力最大減少了27.42%，可見(jiàn)防屈曲耗能支撐體系在大震作用下的耗散能量有所增加。但是無(wú)論在小震還是大震的作用下，對(duì)基底剪力的減震效果都沒(méi)有減震體系的減震效果顯著。

6　原結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)、防屈曲支撐結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

6.1直接經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及晨曦造價(jià)軟件的分析，隔震層增加的費(fèi)用總共為161萬(wàn)元。其中包括：(1)44個(gè)隔震支座；(2)預(yù)埋件；(3)臨時(shí)支撐。其中臨時(shí)支撐非常重要，施工中規(guī)定隔震支座的平面位置與設(shè)計(jì)位置的偏差不大于5mm，單個(gè)支座的傾斜度不大于1/300，所以施工期間必須設(shè)置臨時(shí)支撐的主要作用是防止隔震層發(fā)生水平位移，待主體竣工后應(yīng)予拆除。

對(duì)于防屈曲支撐結(jié)構(gòu)，增加的費(fèi)用主要是由防屈曲支撐本身造成的，與主體結(jié)構(gòu)采用螺栓連接，并且一同施工，施工的增加費(fèi)用可以忽略不計(jì)。使用國(guó)產(chǎn)防屈曲支撐，單根價(jià)格為9 000元/根，共144根?？傆?jì)129.6萬(wàn)元。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)，土建造價(jià)相差161萬(wàn)元-129.6萬(wàn)元=31.4萬(wàn)元?？梢?jiàn)防屈曲支撐結(jié)構(gòu)稍低于隔震結(jié)構(gòu)。

6.2間接經(jīng)濟(jì)效益

以上介紹了結(jié)構(gòu)的直接經(jīng)濟(jì)效益，但在實(shí)際工程中，工期的長(zhǎng)短、后期的維護(hù)等都會(huì)對(duì)工程的間接經(jīng)濟(jì)效益造成影響。

6.2.1工期

(1)隔震結(jié)構(gòu)

隔震建筑需要設(shè)置隔震層空間，基礎(chǔ)底面深度比一般建筑物更深。開(kāi)挖和護(hù)坡工程施工時(shí)間都會(huì)有所增加。隔震層施工結(jié)束后，才可進(jìn)行上部施工，所以隔震層施工在整個(gè)工程施工流程中相當(dāng)于串聯(lián)施工。根據(jù)建筑規(guī)模、隔震構(gòu)建的種類和位置的差距，為0.5個(gè)月～1.5個(gè)月，相當(dāng)于整個(gè)工期的0.5%～5%。根據(jù)本工程的規(guī)模，大概增加工期40d。

(2)防屈曲支撐結(jié)構(gòu)

防屈曲支撐的安裝方法分為平行安裝法和后安裝法。平行安裝法是按一般施工順序，與主體結(jié)構(gòu)同步施工；為了節(jié)約工期，選用平行法安裝。若選取平行法安裝，則防屈曲支撐的施工在整個(gè)工程施工流程中相當(dāng)于并聯(lián)施工，不會(huì)影響施工進(jìn)度，不會(huì)造成工期的增加。

6.2.2后期維護(hù)

(1)隔震結(jié)構(gòu)

雖然任何類型的建筑都要進(jìn)行維護(hù)，對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的維護(hù)，要格外的重視。其中需要注意的方面有：

①大震時(shí)產(chǎn)生隔震層會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)水平位移，為了保證其性能的發(fā)揮，隔震物及其周圍，如果存在妨礙變形的物體、或?qū)Ω粽饦?gòu)件產(chǎn)生損傷影響承載力、或超過(guò)預(yù)期的老化。這些都將使隔震性能不能充分地發(fā)揮，安全性降低。

②隔震層的設(shè)備管線相應(yīng)的變形能力不夠，會(huì)產(chǎn)生斷裂、所以維護(hù)管理費(fèi)用高，管理比較繁雜。

(2)防屈曲支撐結(jié)構(gòu)

防屈曲支撐是一種即壞即換的構(gòu)件，原則上可以不進(jìn)行不定期檢查，只需在建筑結(jié)構(gòu)遭到破壞后，進(jìn)行更換，可大大節(jié)約維護(hù)費(fèi)。相比隔震結(jié)構(gòu)，安裝防屈曲支撐消耗地震能量、保證主體結(jié)構(gòu)安全, 同時(shí)可以節(jié)省很大的后期維護(hù)費(fèi)。

7　結(jié)論

對(duì)原結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)、防屈曲支撐結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，并綜合3種結(jié)構(gòu)得出以下結(jié)論：

(1)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)上，通過(guò)在建筑物的上部結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)之間設(shè)置柔性隔震層。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，隔震體系會(huì)產(chǎn)生水平位移和變形從而吸收大量的地震能量，降低地震反應(yīng)。無(wú)論大震還是小震的作用下，隔震結(jié)構(gòu)的耗能減震效果都比防屈曲支撐結(jié)構(gòu)好。

(2)在框架剪力墻結(jié)構(gòu)上，防屈曲耗能支撐體系具有一定的耗能能力。小震下，防屈曲支撐不進(jìn)入耗能狀態(tài)，只能提供剛度不提供阻尼，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)只加入一個(gè)附加側(cè)向支撐。大震作用下，防屈曲支撐體系在主體結(jié)構(gòu)未進(jìn)入非彈性階段率先耗散能量, 發(fā)揮阻尼減震作用，開(kāi)始耗能。

(3)相比于隔震體系，雖然防屈曲耗能支撐體系的耗能減震能力有限，但防屈曲支撐安裝方便且經(jīng)濟(jì)，可以和主體結(jié)構(gòu)一同施工，大大地提高了施工速度，施工工期短；現(xiàn)場(chǎng)噪音、振動(dòng)??；防屈曲耗能支撐如果在大震中有破損，更換也非常簡(jiǎn)單，后期維護(hù)費(fèi)用低。

[1]周福霖．工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[2]張文芳,靳金平,崔路苗.工程結(jié)構(gòu)消能減震控制的研究與應(yīng)用[J].工程抗震與加固改造,2005,27:70-75.

[3]葉正強(qiáng),李愛(ài)群,程文襄.采用粘滯流體阻尼器的工程結(jié)構(gòu)減振設(shè)計(jì)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2001,22(4):61-66.

[4]林新陽(yáng),周福霖.消能減震的基本原理和實(shí)際應(yīng)用[J].世界地震工程,2002,18(3):48-51.

The Research on the Related Issues for the Adaptability of Base-Isolated Technology and Buckling-Restrained Brace Technology in High-Rise Buildings

CHEN Lingwei

(Fujian Construction Engineering Group Corporation, Fuzhou 350000)

Based on the background of high-rise building, this article aims at the base-isolated technology and the buckling-restrained braces technology.Finally researches their respective technical characteristics, economic indicators, construction schedule, scope of application and other related problems.This thesis has the following several part:Buckling-restrained braces system and base-isolated system were respectively used on the same building of frame shear structure. Comparing the damping performance of two systems on the frame shear , synthesizes damping capacity, structure features, the construction efficiency, and the economic indicators of two structure systems,and finally sums up the characteristics of two structure system and the applicable building type.

Base-isolated system; Buckling-restrained braces system; Energy dissipation and seismic mitigation economic indicator

陳凌蔚( 1980.8-)，男，工程師。

E-mail:6441903@qq.com

2016-05-11

TU9873+.2

A

1004-6135(2016)08-0061-04