耿 慧 玲

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

0 引言

地震災(zāi)害，危害極大又不可預(yù)測(cè)，突然發(fā)生時(shí)，可能會(huì)使大量建筑物及地面設(shè)施造成強(qiáng)烈的破壞，會(huì)引起構(gòu)筑物的塌陷、裂縫和一系列的次生災(zāi)害，造成人員及財(cái)產(chǎn)的大量損失。2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震,造成大量的人員傷亡和慘重的經(jīng)濟(jì)損失。之后，災(zāi)前預(yù)防被高度重視，國家相關(guān)部門對(duì)震害資料進(jìn)行收集與分析，對(duì)地震后保留完好的結(jié)構(gòu)采取的措施進(jìn)行調(diào)查，短時(shí)間內(nèi)完成了對(duì)GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)和CB 50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂，于2008年7月30日發(fā)布實(shí)施了新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

傳統(tǒng)抗震方法是通過增大梁柱等構(gòu)件的截面尺寸，增加結(jié)構(gòu)剛度來抵抗地震的影響，但往往造成進(jìn)一步的剛度集中，使截面尺寸和配筋面積進(jìn)一步增大，如此，增加了結(jié)構(gòu)的造價(jià)，并且安全性能得不到很好的保證。傳統(tǒng)抗震方法不夠經(jīng)濟(jì)和科學(xué)，近年來，結(jié)構(gòu)耗能抗震領(lǐng)域有了較快的進(jìn)展，研究了可靠度高和經(jīng)濟(jì)適用的抗震減震方法，對(duì)傳統(tǒng)方法的缺陷有了彌補(bǔ)和更新。

住建廳于2014年也發(fā)布了《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》，文件規(guī)定位于抗震設(shè)防烈度8度及以上的地震高烈度區(qū)的3層及以上幼兒園、學(xué)校、醫(yī)院等人員密集公共建筑，均應(yīng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。山西省內(nèi)的8度設(shè)防區(qū)占到總面積的21.82%，約3.42萬km2，減震隔震在建筑設(shè)計(jì)工作中，將得到日益廣泛的應(yīng)用。

1 工程概況

本工程為晉中市榆次區(qū)某小學(xué)新建教學(xué)樓項(xiàng)目。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，共4層，1層～3層的層高為3.6 m,4層層高為5.1 m,水箱間層高為3.6 m,室內(nèi)外高差為0.45 m，總建筑高度為16.35 m。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組；場(chǎng)地類別Ⅲ類，根據(jù)液化計(jì)算判別結(jié)果，擬建場(chǎng)地為液化場(chǎng)地，液化等級(jí)中級(jí)；擬建場(chǎng)地屬于對(duì)建筑抗震不利地段；基本風(fēng)壓取0.4 kN/m2；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為50年；地面粗糙度類別為B類；框架抗震等級(jí)為一級(jí)；抗震設(shè)防類別為乙類。結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算程序：北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編制的YJK V1.8.2.0，擬采用阻尼器消能技術(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

該耗能減震設(shè)計(jì)方案是通過在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上添加黏滯阻尼器，給結(jié)構(gòu)附加阻尼和剛度，在地震來臨時(shí)，增大結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)位移，減小自振周期，消耗一大部分的地震能量，從而減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，保證結(jié)構(gòu)的安全度。

2 ETABS分析模型驗(yàn)證

首先，進(jìn)行YJK模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，建立框架結(jié)構(gòu)的ETABS模型，將ETABS和YJK模型計(jì)算得到的周期、質(zhì)量、地震剪力進(jìn)行對(duì)比(模型中梁柱都對(duì)中處理，不考慮地下室及樓面坡屋頂)。經(jīng)計(jì)算，原結(jié)構(gòu)YJK模型與ETABS模型的周期、地震剪力、結(jié)構(gòu)計(jì)算質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果都比較相近(除頂層外，頂層出屋面小塔樓在YJK和ETABS軟件中計(jì)算方法不同，ETABS軟件中沒有考慮鞭梢效應(yīng))，由此推斷，YJK模型能較為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的基本特性，可作為本工程消能減震分析的有限元模型。

3 地震波的選取

本工程選取了5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量滿足規(guī)范要求，不小于總數(shù)的2/3。計(jì)算分析顯示，多條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值應(yīng)大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條時(shí)程計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜結(jié)果的65%。

4 阻尼器的布置原則

1)減震設(shè)計(jì)控制指標(biāo)：按多遇地震計(jì)算時(shí)，主體結(jié)構(gòu)應(yīng)該保持彈性要求，而且非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也不應(yīng)出現(xiàn)明顯的破壞；按罕遇地震計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)從彈性過渡到彈塑性，但阻尼器系統(tǒng)仍能正常工作，發(fā)揮其功能。

2)在阻尼器布置時(shí)，應(yīng)充分考慮建筑平面使用功能的要求，選擇合適位置的隔墻，將阻尼器安置在中間，并采用防火輕質(zhì)材料作為隔板，然后依據(jù)位移控制要求和水平向地震力等參數(shù)，通過計(jì)算分析來確定阻尼器的準(zhǔn)確位置和數(shù)量。消能構(gòu)件一般布置在結(jié)構(gòu)的X，Y兩個(gè)主軸方向，以達(dá)到增加兩個(gè)方向的阻尼和剛度的目標(biāo)。

3)阻尼器應(yīng)安置在相對(duì)速度或?qū)娱g相對(duì)位移較大的樓層，通過盡可能地增加消能器兩端的相對(duì)速度和相對(duì)變形，以提高阻尼器的有效減震作用。

4)初步布置好阻尼器后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抗震性能分析，包含多遇地震作用下的彈性分析和罕遇地震作用下的彈塑性分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

5)截面配筋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照各層消能部件的最大阻尼力來計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)中相關(guān)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核，并適當(dāng)對(duì)節(jié)點(diǎn)部位采取一些補(bǔ)強(qiáng)措施，來保證結(jié)構(gòu)的安全性能。

5 附加阻尼比

該工程為多層框架結(jié)構(gòu)，以剪切變形為主，在不計(jì)其扭轉(zhuǎn)影響時(shí)，消能減震設(shè)施在水平地震作用下的總應(yīng)變能可依據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中第12.3.4條款應(yīng)變能法來計(jì)算。

6 消能減震效果分析

6.1 多遇地震作用下的彈性分析

時(shí)程波采用選取的七條波，對(duì)于多遇地震的峰值加速度，8度(0.2g)為70 cm/s2，并考慮剛度折減。

對(duì)于多遇地震作用下的彈性工況，分析內(nèi)容包括：阻尼器在多遇地震下的實(shí)際等效附加阻尼比計(jì)算、結(jié)構(gòu)減震前后的層間剪力及層間位移角對(duì)比和滯回耗能分析等。

考慮到本工程底層的位移反應(yīng)較大，在X向和Y向均選取阻尼器，根據(jù)其在多遇地震下的耗能曲線，查驗(yàn)到阻尼器表現(xiàn)了較好的消能能力。

6.2 罕遇地震作用下彈塑性非線性地震反應(yīng)分析

對(duì)于罕遇地震的工況分析內(nèi)容如下：阻尼器的設(shè)計(jì)承載力、結(jié)構(gòu)抗震性能的改變、減震前后結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制改變等。

根據(jù)“大震不倒”的原理，結(jié)構(gòu)在罕遇地震來臨時(shí)，部分構(gòu)件屈服甚至發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)性能從彈性過渡到彈塑性，隨著塑性的發(fā)展，結(jié)構(gòu)性能也發(fā)生改變，此時(shí)應(yīng)當(dāng)按非線性狀態(tài)來作計(jì)算分析。在非線性分析的過程中，通過彈塑性層間位移角驗(yàn)算結(jié)構(gòu)大震下的位移是否滿足規(guī)范要求；通過鉸類型判斷“強(qiáng)剪弱彎”、通過出鉸順序判斷“強(qiáng)柱弱梁”；通過對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的承載能力和延性的判斷進(jìn)行性能設(shè)計(jì)；通過對(duì)小震、中震、大震分析結(jié)果的比較來判斷結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的承載能力和延性。

根據(jù)規(guī)范要求，彈塑性最大層間位移角不得大于1/50，設(shè)計(jì)通過彈塑性時(shí)程分析，得出阻尼器的最大速度和位移，驗(yàn)算其最大彈塑性變形是否滿足規(guī)定的限值。根據(jù)X，Y向計(jì)算結(jié)果看出，該結(jié)構(gòu)的層間位移角均滿足規(guī)范1/50的限值要求，表明結(jié)構(gòu)布置的黏滯阻尼器方案是合理、切實(shí)可行的。

7 附加阻尼比和減震方案的確定

通過對(duì)該工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下彈性分析和罕遇地震作用下彈塑性分析，得出的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)采用消能減震設(shè)計(jì)方案具有獨(dú)到的作用和優(yōu)良的效果，設(shè)計(jì)成果如下所示：

1)多遇地震時(shí)，阻尼器為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼比計(jì)算如下：X向?yàn)?.65%，Y向?yàn)?.72%，最終設(shè)計(jì)時(shí)，取附加阻尼比為3%。

2)罕遇地震時(shí)，計(jì)算得到X，Y向的最大層間位移角都小于1/50。

3)在基于多遇、罕遇地震作用下，采用黏滯阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計(jì)之后，對(duì)原結(jié)構(gòu)薄弱層的抗震性能也有了一定程度的提高。

4)根據(jù)大震計(jì)算結(jié)果，建議的黏滯阻尼器產(chǎn)品參數(shù)如表1所示。

表1 阻尼器產(chǎn)品參數(shù)

5)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)一層中，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件已達(dá)到極限承載力，因此，在設(shè)計(jì)制圖時(shí)，應(yīng)對(duì)構(gòu)件采取配筋加強(qiáng)的措施，最終柱配筋率不得小于2.5%，箍筋沿柱全長(zhǎng)加密。梁采用雙筋截面，并且支座負(fù)筋不得小于3 000 mm2，底筋不得小于3 000 mm2，箍筋沿梁全長(zhǎng)加密。

8 結(jié)語

該耗能減震設(shè)計(jì)方案是通過在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上添加黏滯阻尼器，給結(jié)構(gòu)附加阻尼和剛度，在地震來臨時(shí)，增大結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)位移，減小自振周期，消耗一大部分的地震能量，從而減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，保證結(jié)構(gòu)的安全度。消能構(gòu)件應(yīng)按最大層間位移角不大于1/50進(jìn)行控制計(jì)算，均勻布置在結(jié)構(gòu)的X，Y兩個(gè)主軸方向，同時(shí)增加兩個(gè)方向的阻尼和剛度。在某學(xué)校教學(xué)樓的設(shè)計(jì)過程中，采用了黏滯阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減震，經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的計(jì)算分析，合理地布置了阻尼器，滿足了抗震的需要，保證了結(jié)構(gòu)的安全。