呂 寧

(云南城市建設(shè)工程咨詢有限公司,云南 昆明 650228)

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軟鋼阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的消能減震設(shè)計(jì)

呂 寧

(云南城市建設(shè)工程咨詢有限公司,云南 昆明 650228)

以高烈度區(qū)某商住樓工程為例，介紹了該建筑采用軟鋼阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計(jì)的方案，并對(duì)多遇及罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)程分析，結(jié)果表明，軟鋼阻尼器可大量耗散地震動(dòng)能量，有效控制結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

阻尼器，框架結(jié)構(gòu)，時(shí)程分析，消能減震

0 引言

消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指在結(jié)構(gòu)中裝設(shè)阻尼器，通過(guò)阻尼器的相對(duì)變形或相對(duì)速度提供附加阻尼，從而耗散大量的地震動(dòng)能量，達(dá)到減震性能目標(biāo)。金屬阻尼器主要是利用低屈服點(diǎn)鋼進(jìn)入彈塑性階段產(chǎn)生滯回進(jìn)行耗能，它具有造價(jià)低，施工方便，耗能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，德宏市某商住樓的設(shè)計(jì)即采用軟鋼剪切型阻尼器。

1 工程概況

本工程共8層，總高度27.9 m，首層層高4.8 m,第2層層高3.6 m,3層～7層層高均為3 m,頂層層高4.5 m,總建筑面積4 417 m2，其中商業(yè)建筑面積1 400 m2，住宅面積3 017 m2，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)使用年限為50年，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度：8.5度；設(shè)計(jì)基本加速度：0.3g；場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震分組為第二組。

2 結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

此工程在方案階段，根據(jù)建筑物的基本情況，與不采用減震

方案進(jìn)行對(duì)比分析。采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)件的截面，配筋量都比較大，工程造價(jià)提高，且與建筑使用功能產(chǎn)生沖突，結(jié)構(gòu)剛度增加，在地震作用下結(jié)構(gòu)所要承擔(dān)的荷載也會(huì)增大，結(jié)構(gòu)安全可靠度得不到保證，采用軟鋼剪切型阻尼器后，不僅能為結(jié)構(gòu)提供剛度，而且提供阻尼，主要構(gòu)件的截面尺寸可大大減小，結(jié)構(gòu)滿足減震性能目標(biāo)，在罕遇地震下安全性很高，最后確定采用減震設(shè)計(jì)。

3 減震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

1)根據(jù)性能目標(biāo)確定SATWE軟件中反應(yīng)譜分析的等代支撐剛度和附加阻尼比，確定阻尼器參數(shù)和數(shù)量，以及阻尼器的安裝位置及形式。

2)計(jì)算附設(shè)阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，復(fù)核附加阻尼比。

3)罕遇地震作用下，進(jìn)行彈塑性位移驗(yàn)算，加強(qiáng)薄弱位置，滿足“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”最后完成消能子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

4 本工程采用的消能設(shè)計(jì)方案

根據(jù)減震性能目標(biāo)，最終確定附加阻尼比為3%，阻尼器數(shù)量X向12個(gè)，Y向16個(gè)，總共28個(gè)，阻尼器參數(shù)及相連支撐的尺寸如表1所示。軟鋼剪切型阻尼器屬于位移型阻尼器，在布置時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

1)在滿足建筑功能的前提下，盡量布置在相對(duì)位移較大的樓層，提高阻尼器的減震效率。

2)阻尼器應(yīng)按照“均勻、分散、對(duì)稱、周邊”的原則，避免形成薄弱層。

3)阻尼器布置需要考慮結(jié)構(gòu)的工作性能(如剛度、延性等)、建筑功能和經(jīng)濟(jì)等要求，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇相對(duì)較好的方案。

表1 阻尼器及支撐的參數(shù)

5 結(jié)構(gòu)消能減震分析計(jì)算

5.1 模型對(duì)比

為了保證時(shí)程分析模型的可靠性，對(duì)比ETABS和SATWE兩種軟件的結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算得到的質(zhì)量、前三階周期、樓層剪力相差很小，表明分析模型是可靠的，能作為設(shè)計(jì)，分析的依據(jù)。

5.2 地震波選取

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(簡(jiǎn)稱抗規(guī))要求，選取5條天然波和2條人工波進(jìn)行彈性時(shí)程分析。

時(shí)程反應(yīng)譜(多遇110gal)與規(guī)范反應(yīng)譜5%阻尼比對(duì)比如圖2所示。

5.3 多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

軟鋼阻尼器在有限元軟件中使用plastic1模擬，采用快速非線性(FNA)對(duì)有阻尼器(有控)和無(wú)阻尼器(無(wú)控)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得出層間位移角等結(jié)構(gòu)參數(shù)，無(wú)控結(jié)構(gòu)和有控結(jié)構(gòu)層間位移角分別如圖3，圖4所示。

對(duì)比圖3和圖4，無(wú)控結(jié)構(gòu)的層間位移角大于規(guī)范要求的1/550，有控結(jié)構(gòu)層間位移角達(dá)到減震性能目標(biāo)1/600,說(shuō)明附加阻尼器有效控制了結(jié)構(gòu)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)有較大的安全儲(chǔ)備。

5.4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析

采用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，根據(jù)《消能減震

技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：消能減震結(jié)構(gòu)需滿足“小震可修，大震不倒”的性能目標(biāo)，在有限元軟件中通過(guò)定義塑性鉸來(lái)模擬結(jié)構(gòu)的彈塑性發(fā)展趨勢(shì)，分別定義梁鉸和柱鉸。彈塑性分析結(jié)構(gòu)表明結(jié)構(gòu)在大震作用下，先出現(xiàn)梁鉸，然后出現(xiàn)柱鉸，大震層間位移角達(dá)到性能目標(biāo)1/100。結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的要求，滿足大震不倒的性能目標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

位于高烈度區(qū)裝設(shè)軟鋼剪切型阻尼器的框架結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)方案，計(jì)算分析結(jié)果表明，采用消能減震技術(shù)，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大降低，層間位移角滿足規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期減震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)的安全度得到很大提高。在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的性能化設(shè)計(jì)要求。研究表明，位于高烈度區(qū)的房屋采用消能減震技術(shù)是合理有效的，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有應(yīng)用參考意義。

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

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 周 云.金屬耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013;北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

On seismic energy dissipation of mild steel damper in framework

Lv Ning

(YunnanUrbanConstructionEngineeringConsultingCo.,Ltd,Kunming650228,China)

Taking some office building at some high intensity zone as the example, the paper introduces the seismic dissipation scheme for the building with the mild steel damper, undertakes the time-history analysis of the structure under the frequent and rare earthquakes, and proves by the result that the mild steel damper can dissipate a great deal of seismic energy and it can effectively control the seismic response.

damper, framework, time-history analysis, seismic energy dissipation

1009-6825(2016)10-0053-02

2016-01-27

呂 寧(1983- )，女，工程師

TU352.1

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