羅 智 剛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原　030013)

?

某中學(xué)報(bào)告廳減震分析與應(yīng)用

介紹了粘滯阻尼器的工作原理，以某中學(xué)報(bào)告廳為例，闡述了阻尼器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的布置原則與方案，并采用ETABS，對(duì)設(shè)置阻尼器前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇及罕遇地震下的反應(yīng)譜分析與時(shí)程分析，結(jié)果表明：報(bào)告廳等該類建筑結(jié)構(gòu)采用粘滯阻尼器后，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

建筑結(jié)構(gòu)，粘滯阻尼器，減震設(shè)計(jì)，報(bào)告廳

0　引言

減震技術(shù)作為建筑結(jié)構(gòu)減輕地震災(zāi)害的新技術(shù)具有傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系“延性結(jié)構(gòu)體系”難以比擬的優(yōu)越性。近年來，隨著建筑工程減震技術(shù)研究不斷深入，使抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨經(jīng)濟(jì)合理。在一些高烈度地區(qū)的工程應(yīng)用也經(jīng)受住了實(shí)際地震的考驗(yàn)，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益(2008年的汶川地震，應(yīng)用了減震技術(shù)的建筑就證明了這一點(diǎn))。在高烈度地區(qū)的學(xué)校、醫(yī)療建筑中已要求強(qiáng)制使用減震技術(shù)[1，2]。粘滯阻尼器可以產(chǎn)生較大的彈塑性變形及阻尼，吸收了地震傳來的大部分能量，使建筑主體結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)過大的變形，一定程度上減少了建筑結(jié)構(gòu)主體的破壞，從而達(dá)到預(yù)定的性能。

1　粘滯阻尼器的分析方法

1.1粘滯阻尼器的工作原理[3，4]

建筑結(jié)構(gòu)減震是指在結(jié)構(gòu)某些部位通過安裝減震裝置以改變結(jié)構(gòu)剛度和消耗地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的位移和損傷。本次報(bào)告廳減震設(shè)計(jì)中用到的是筒式粘滯阻尼器，本文僅對(duì)筒式粘滯阻尼器的特性做一簡單介紹。筒式粘滯阻尼器中液體(比如硅凝膠體等)具有高粘滯性、高濃度性，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，由于地震作用使得粘滯阻尼器的內(nèi)部構(gòu)件(即活塞)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又由于活塞處于這些粘滯液體中，帶動(dòng)液體的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致活塞前后產(chǎn)生壓力差，使阻尼器內(nèi)部液體流過活塞上的阻尼孔產(chǎn)生阻尼力，可以有效吸收地震產(chǎn)生的能量，以達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的目的。

1.2粘滯阻尼器的出力分析

1)在建筑物主體結(jié)構(gòu)的特定部位設(shè)置粘滯阻尼器后，這些阻尼器與原結(jié)構(gòu)組成了一個(gè)新的抗震結(jié)構(gòu)體系。在多遇地震情況下，設(shè)置粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)體系發(fā)生較小的彈性變形，在地震發(fā)生后，結(jié)構(gòu)自身就可以恢復(fù)這種變形，這類地震不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，建筑的使用年限也不會(huì)受到影響。在罕遇地震情況下，設(shè)置了粘滯阻尼器的新抗震結(jié)構(gòu)體系自身的彈性變形不足以抵抗地震作用，此時(shí)粘滯阻尼器負(fù)擔(dān)絕大部分地震傳來的能量，產(chǎn)生了較大的彈塑性變形，避免了主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的變形，從而減少了主體結(jié)構(gòu)的破壞。地震發(fā)生后，建筑仍可以正常使用，避免了人、財(cái)?shù)纫幌盗袚p失。

2)粘滯阻尼器的出力計(jì)算。粘滯阻尼器是屬于速度相關(guān)型阻尼器的一種，其力—速度的關(guān)系一般可表示為：

F=CVm。

其中，F(xiàn)為阻尼器的出力；C為阻尼器的阻尼系數(shù)；V為阻尼器兩端的相對(duì)速度；m為阻尼器的阻尼指數(shù)。

2　結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)

2.1工程概況

此報(bào)告廳為中學(xué)學(xué)生用房，屬重點(diǎn)設(shè)防類，根據(jù)有關(guān)要求[2]，采用消能減震設(shè)計(jì)來進(jìn)一步提高建筑物的可靠性和安全性。圖1為報(bào)告廳平面示意圖。結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，地上3層，底層層高為6.4 m，二層層高為5.7 m，三層層高7.8 m，屋面為鋼網(wǎng)架及鋼骨架輕型屋面板。結(jié)構(gòu)總高度20.350 m，室內(nèi)外高差0.450 m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)梁板柱均為C30，主要框架梁截面為350×700(800)，框架柱界面主要為700×700，少量為600×600，樓板除看臺(tái)部分為120 mm厚外，其余均為100 mm厚。受力鋼筋均采用三級(jí)鋼筋。場地類別Ⅲ類，基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2(按50年一遇)。地面粗糙度為B類?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.20g)；設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

2.2房屋的基本信息分析

為得到此報(bào)告廳主體結(jié)構(gòu)的可靠的基本信息，分別采用PKPM分析軟件(V2.2版)和ETABS分析軟件對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，并對(duì)兩種模型的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析，對(duì)比結(jié)果如下。如表1所示為8度(0.2g)小震作用下PKPM模型計(jì)算的原結(jié)構(gòu)信息，表2為PKPM模型的周期信息。

表1　8度(0.2g)小震作用下原結(jié)構(gòu)PKPM模型信息

表2　原結(jié)構(gòu)PKPM模型的周期信息

2.3ETABS模型分析

結(jié)合PKPM模型信息，建立主體結(jié)構(gòu)的ETABS模型。同時(shí)，為驗(yàn)證ETABS模型的準(zhǔn)確性，將ETABS模型與SATWE模型計(jì)算得到各種結(jié)果參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表3～表5所示，表中誤差的算法為：誤差=(|SATWE-ETABS|/SATWE)×100%。

表3　原結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量對(duì)比

表4　原結(jié)構(gòu)模型周期對(duì)比

表5　原結(jié)構(gòu)模型樓層剪力對(duì)比

綜合上述，從兩種模型的結(jié)果數(shù)據(jù)看出，結(jié)構(gòu)的基本信息相差較小，無論是質(zhì)量、周期還是地震剪力，ETABS模型所得到的數(shù)據(jù)都可以作為減震分析的模型來進(jìn)行分析，且能真實(shí)、準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的基本特性。

2.4地震波的選取

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范5.1.2條規(guī)定，本工程實(shí)際選取了5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程。7條時(shí)程波的平均反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果見圖2。

由圖2可知，各時(shí)程平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜較為接近(結(jié)構(gòu)基本周期處)。

3　減震裝置的設(shè)計(jì)與布置

3.1阻尼器的設(shè)計(jì)布置原則

1)本工程為減震建筑，要求為在多遇地震下建筑主體結(jié)構(gòu)仍保持彈性，在罕遇地震下，粘滯阻尼器系統(tǒng)仍可以正常工作。

2)本工程減震設(shè)計(jì)過程中，將水平向地震力和位移控制作為選擇阻尼器數(shù)目及布置的主要參數(shù)，并經(jīng)多次試算，將阻尼器配置在主體結(jié)構(gòu)的特定位置。

3)為了提高阻尼器的減震效果，在條件允許的情況下，盡可能增加阻尼器兩端的相對(duì)位移，并將阻尼器布置在結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移較大的樓層。

4)在進(jìn)行阻尼器的連接板和相關(guān)的梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，將各阻尼器的出力值的1.2倍作為外荷載來計(jì)算，并對(duì)相鄰梁柱進(jìn)行驗(yàn)算，適當(dāng)采取一些加強(qiáng)措施。

5)對(duì)設(shè)置了粘滯阻尼器的主體結(jié)構(gòu)在不同地震下進(jìn)行彈塑性整體分析。

6)粘滯阻尼器的布置應(yīng)考慮施工的可行性，滿足建筑使用功能及外部造型上的要求，并根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)盡可能地對(duì)稱布置。為了不影響阻尼器的耐久性，在不影響其他功能的條件下，可采用低強(qiáng)度的防火材料輕質(zhì)隔板把阻尼器包裹起來。

3.2阻尼器的布置方案

在減震設(shè)計(jì)中，為了避免阻尼器的主體結(jié)構(gòu)層間剛度突變，產(chǎn)生新的薄弱層，決定將粘滯阻尼器逐層安裝在主體結(jié)構(gòu)上，1層～3層共安裝18個(gè)粘滯阻尼器(型號(hào)噸位一致)。將原PKPM模型的各層地震剪力和位移角為依據(jù)，本工程實(shí)際所選用的阻尼器規(guī)格和數(shù)量詳見表6。粘滯阻尼器及支撐的平面布置位置如圖3所示。

表6　附加粘滯阻尼器的布置方案及設(shè)計(jì)參數(shù)

4　結(jié)語

使用ETABS對(duì)設(shè)置阻尼器前后兩個(gè)模型各自在多遇地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析和在罕遇地震作用下進(jìn)行時(shí)程分析，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果各參數(shù)的對(duì)比分析，結(jié)果表明報(bào)告廳等此類建筑物結(jié)構(gòu)采用粘滯阻尼器后，消能減震設(shè)計(jì)取得了良好的效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)在結(jié)構(gòu)1層～第3層共設(shè)置粘滯阻尼器18個(gè)，通過7條時(shí)程波的計(jì)算分析，得出多遇地震作用下阻尼器所提供的等效附加阻尼比為X向11.60%和Y向18.56%。

2)原結(jié)構(gòu)在8度多遇地震時(shí)，時(shí)程分析平均值在X，Y向的最大層位移角分別是1/421，1/359。設(shè)置粘滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震時(shí)X，Y向的最大層間位移角則分別降低到1/958，1/1 086。

3)結(jié)構(gòu)中所附加的粘滯性阻尼器在罕遇地震作用下的出力最大為313 kN，對(duì)應(yīng)的最大位移為74.62 mm。

4)在多遇地震情況下，設(shè)置了粘滯阻尼器的主體框架結(jié)構(gòu)X，Y向?qū)娱g剪力比原結(jié)構(gòu)的層間剪力均大幅度減小，比值分別是0.26和0.31。這說明進(jìn)行減震設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)體系抗震性能大大提高。

5)在多遇、罕遇地震作用下，設(shè)置了粘滯阻尼器的建筑結(jié)構(gòu)，很好地改善了原結(jié)構(gòu)薄弱部位的抗震性能。在罕遇地震作用下，“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念得到了明顯的體現(xiàn)。對(duì)于報(bào)告廳此類空曠結(jié)構(gòu)，更有利于實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

[1]建質(zhì)[2014]25號(hào)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于房屋建筑工程推廣應(yīng)用減隔震技術(shù)的若干意見(暫行)[S].

[2]晉建質(zhì)字[2014]115號(hào)，山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知[S].

[3]羅軍峰.粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)抗震中的應(yīng)用與研究[D].成都：西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文，2008.

[4]潘鵬，葉列平，錢稼茹，等.建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)與案例[M].北京：清華大學(xué)出版社,2014.

The damping analysis and application of a high school auditorium

Luo Zhigang

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the working principle of viscous dampers, taking a high school auditorium as an example, elaborated the layout principle and plan of dampers in structure design, and using ETABS, made response spectrum analysis and time history analysis under frequent earthquake and rare occurrence earthquake to the structure before and after setting dampers, the results showed that the auditorium and other kind of building structure with viscous dampers, improved the seismic performance of structures.

building structure, viscous damper, damping design, auditorium

1009-6825(2016)08-0055-03

2016-01-07

羅智剛(1979- )，男，工程師

羅 智 剛

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原030013)

TU352

A