榮 帆

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

某框架結(jié)構(gòu)消能減震分析

榮 帆

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

通過(guò)對(duì)某框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論了結(jié)構(gòu)增設(shè)粘滯阻尼器后在多遇地震、罕遇地震下的整體力學(xué)性能，得出結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)果表明，合理設(shè)置粘滯阻尼器可增加結(jié)構(gòu)阻尼比，減小地震響應(yīng)，起到預(yù)期消能減震的效果。該結(jié)構(gòu)位移角滿足規(guī)范要求，同時(shí)有效改善了結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震性能。

消能減震，粘滯阻尼器，罕遇地震，薄弱層

1 工程概況

山西省某建筑為地上3層，地下1層，結(jié)構(gòu)高度16.29 m，平面總長(zhǎng)62 m，總寬44.3 m。建筑面積為7 207.26 m2。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。建筑功能為公共圖書館，且為當(dāng)?shù)貥?biāo)志性建筑。該建筑擬采用消能減震技術(shù)，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面，提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能的目的。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

1)自然條件。a.場(chǎng)地的工程地質(zhì)：場(chǎng)地土的類型為中軟場(chǎng)地，場(chǎng)地類別Ⅲ類。b.風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓：按50年一遇的基本風(fēng)壓采用，取0.4 kN/m2。c.地面粗糙度：B類。d.地震參數(shù)：抗震設(shè)防烈度：8度；基本地震加速度0.20g；設(shè)計(jì)地震分組：第二組。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。a.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限：50年。b.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級(jí)：抗震措施所采用抗震設(shè)防烈度：8度；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)：框架二級(jí)；抗震設(shè)防類別：丙類。c.結(jié)構(gòu)消能減震要求：通過(guò)設(shè)置粘滯阻尼器以增加結(jié)構(gòu)的安全度，擬附加3%的阻尼比。

3 消能減震裝置的設(shè)計(jì)與布置

3.1 阻尼器布置的原則

1)在多遇地震下，其主體結(jié)構(gòu)保持彈性，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無(wú)明顯損壞；在罕遇地震考慮下，其減震阻尼器系統(tǒng)能正常發(fā)揮功能。2)依據(jù)預(yù)期的水平向地震力和位移控制要求等參數(shù)，選擇適當(dāng)數(shù)目的阻尼器，并配置在適當(dāng)?shù)奈恢谩?)阻尼器配置在層間相對(duì)位移或相對(duì)速度較大的樓層。4)消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按各層消能部件的最大阻尼力進(jìn)行截面設(shè)計(jì),同時(shí)應(yīng)驗(yàn)算相鄰梁柱的強(qiáng)度，并適當(dāng)采取一些補(bǔ)強(qiáng)措施。5)對(duì)含減震阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，包含不同地震級(jí)別下的結(jié)構(gòu)彈塑性分析。

3.2 消能減震裝置的布置方案

在本工程減震分析中，將16組粘滯阻尼器安裝在原結(jié)構(gòu)上。

所選用的粘滯阻尼器規(guī)格和數(shù)量詳見(jiàn)表1。粘滯阻尼器及支撐的平面在平面均勻布置，且盡可能布置于內(nèi)力、位移較大處。

表1 附加粘滯阻尼器的布置方案及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 地震波的選取

GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》5.1.2條規(guī)定：采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時(shí)程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

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，基底剪力與反應(yīng)譜結(jié)果相比：最小值72%，最大值107%，平均值81%。滿足規(guī)范相應(yīng)要求。

《抗規(guī)》規(guī)定：輸入的地震加速度時(shí)程曲線的有效持續(xù)時(shí)間，一般從首次達(dá)到該時(shí)程曲線最大峰值的10%那一刻算起，到最后一點(diǎn)達(dá)到最大峰值的10%為止；無(wú)論是實(shí)際的強(qiáng)震記錄還是人工模擬波形，有效持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5倍～10倍。本項(xiàng)目選取的七條地震波有效持續(xù)時(shí)間與結(jié)構(gòu)基本周期的最小比值為20.85，滿足規(guī)范要求。

4 消能減震分析

采用非線性時(shí)程分析法進(jìn)行消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能分析和減震效果評(píng)價(jià)，并與振型反應(yīng)譜分析法進(jìn)行比較。對(duì)于多遇地震作用下的彈性工況分析基于ETABS軟件進(jìn)行。分析內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)減震前后的層間剪力及層間位移角對(duì)比、阻尼器在多遇地震下的實(shí)際等效附加阻尼比計(jì)算和滯回耗能分析等。對(duì)于罕遇地震的工況分析基于PERFORM-3D軟件進(jìn)行，主要分析內(nèi)容包括：罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能的分析、結(jié)構(gòu)減震前后屈服機(jī)制和非線性狀態(tài)的對(duì)比、附加粘滯阻尼器的設(shè)計(jì)承載力和設(shè)計(jì)行程校核等。

4.1 多遇地震作用下消能減震結(jié)構(gòu)彈性分析

基于ETABS模型，對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的彈性分析?？紤]到本工程底層的位移反應(yīng)較大，因此僅選取消能減震結(jié)構(gòu)阻尼器，其滯回曲線顯示：減震結(jié)構(gòu)中X向和Y向阻尼器表現(xiàn)出較好的消能能力。

4.2 阻尼器附加阻尼比

本工程中粘滯阻尼器附加給結(jié)構(gòu)的等效阻尼比按應(yīng)變能法計(jì)算。消能減震結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的總應(yīng)變能可按GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第12.3.4條款估算。通過(guò)ETABS軟件分析計(jì)算，消能器附加結(jié)構(gòu)的阻尼比：X方向?yàn)?.5%，Y方向8.1%。由此可以看出結(jié)構(gòu)消能器的附加阻尼比能達(dá)到3%的要求。

4.3 罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性非線性地震反應(yīng)分析與抗震性能評(píng)價(jià)

4.3.1 分析方法

通過(guò)彈塑性分析，擬達(dá)到以下目的：1)對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的非線性性能給出定量(性)解答，研究本結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的變形形態(tài)、構(gòu)件的塑性及其損傷情況，以及整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為，具體的研究指標(biāo)包括最大頂點(diǎn)位移、最大層間位移及最大基底剪力等；2)給出結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展過(guò)程，描述各構(gòu)件出現(xiàn)塑性的先后次序，分析結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制并對(duì)其合理性作出評(píng)價(jià)；3)研究結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、關(guān)鍵構(gòu)件的變形形態(tài)和破壞情況，重點(diǎn)考察的部位主要包括但不限于下列部位：結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)部位等；4)論證整體結(jié)構(gòu) 在罕遇地震作用下的抗震性能，尋找結(jié)構(gòu)的薄弱層或(和)薄弱部位；5)根據(jù)以上研究成果，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能給出評(píng)價(jià)，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)和建議。本工程的彈塑性分析將采用基于顯式積分的動(dòng)力彈塑性分析方法直接模擬結(jié)構(gòu)在地震力作用下的非線性反應(yīng)。為達(dá)到罕遇地震作用下防倒塌的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，取彈塑性最大層間位移角限值為1/50。通過(guò)彈塑性時(shí)程分析得出阻尼器的最大位移和最大速度為設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

4.3.2 分析模型驗(yàn)證

該工程采用PERFORM-3D軟件進(jìn)行彈塑性分析。將PERFORM和PKPM模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2，表3，表中差值=丨PERFORM- SATWE丨/SATWE×100%。

綜合上述數(shù)據(jù)可以看出，原結(jié)構(gòu)PERFORM模型與PKPM模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和計(jì)算周期的差異較小，能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的基本特性。

表2 原結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量對(duì)比

表3 原結(jié)構(gòu)模型周期對(duì)比

4.3.3 ST1消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)防地震和罕遇地震響應(yīng)分析

基于前面的彈性分析結(jié)果，選擇其中地震響應(yīng)相對(duì)較大的三條時(shí)程波進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。為減少?gòu)椝苄詴r(shí)程分析的計(jì)算工作量，在保留其波峰特征及有效持時(shí)的前提下統(tǒng)一截取其20 s時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 彈塑性層間位移角

由上述計(jì)算結(jié)果可知，消能減震結(jié)構(gòu)(ST1)的層間位移角都滿足規(guī)范1/50的限值要求(不考慮頂層小塔樓)，這充分說(shuō)明結(jié)構(gòu)采用粘滯阻尼器進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)是切實(shí)有效的。

4.3.4 消能減震結(jié)構(gòu)的彈塑性發(fā)展

以反應(yīng)最大的aw時(shí)程波為代表，對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性屈服機(jī)制分析。結(jié)果表明，子框架主要構(gòu)件在罕遇地震作用下基本處于彈性。

由上述分析可知，設(shè)置粘滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下呈現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的塑性鉸發(fā)展機(jī)制，且在結(jié)構(gòu)中的帶阻尼器子框架沒(méi)有達(dá)到極限承載力出現(xiàn)破壞，這表明主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠得到有效控制和改善，使得整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，有利于實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

使用ETABS軟件和PERFORM-3D對(duì)減震結(jié)構(gòu)在8度(0.2g)地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析，分析了多遇地震作用下和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，分析表明結(jié)構(gòu)采用消能減震設(shè)計(jì)方案具有良好的效果和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)在結(jié)構(gòu)中共設(shè)置粘滯阻尼器16個(gè)，通過(guò)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約為6%，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮阻尼器給結(jié)構(gòu)提供安全性，同時(shí)考慮阻尼器附加阻尼比為3%。2)結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震時(shí)X，Y向的最大層間位移角則分別為1/110，1/118，滿足規(guī)范要求的1/50要求。3)基于多遇、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)采用粘滯阻尼器減震設(shè)計(jì)之后，改善了原結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震性能。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)[S].

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

On analysis of energy dissipation of some frame structure

Rong Fan

(ArchitecturalDesignandResearchInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on the analysis of a frame structure, discusses the structure of viscous dampers in the earthquake, the whole mechanical performance under severe earthquake, the structure under rare earthquake elastic-plastic development trend. The results show that a reasonable set of viscous dampers can increase the damping ratio of the structure and reduce the seismic response, thus achieving the desired effect of energy dissipation. The displacement angle of the structure meets the requirements of the code, and the seismic performance of the weak layer of the structure is effectively improved.

energy dissipation, eiscous damper, rare earthquake, weak layer

1009-6825(2017)21-0039-02

2017-05-16

榮 帆(1983- )，男，工程師

TU352.1

A