蔣文龍，孫國(guó)順

(中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，通常采用通過提高結(jié)構(gòu)自身剛度、構(gòu)件的承載力以及其抗震延性等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過在地震作用下構(gòu)件的損傷來耗散地震能量，因此就需要結(jié)構(gòu)本身剛度較大，來承擔(dān)較大的地震作用。但消能減震技術(shù)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，技術(shù)的逐漸成熟，這種新的抗震設(shè)計(jì)方法被廣泛的應(yīng)用于公共建筑等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器的方式來消耗地震作用下的能量，使主體結(jié)構(gòu)的地震作用被有效的分擔(dān)，大大提升了主體結(jié)構(gòu)的安全度。

而對(duì)于豎向收進(jìn)的框架結(jié)構(gòu)，收進(jìn)處的樓層豎向剛度較下層有較大削弱，需要對(duì)收進(jìn)樓層的豎向剛度進(jìn)行加強(qiáng)，傳統(tǒng)的做法是通過適當(dāng)?shù)慕档捅緦訉痈呋蛘呒訌?qiáng)本層梁、柱的剛度，適當(dāng)提高上部相關(guān)樓層或削弱上部相關(guān)樓層梁、柱的剛度，以便達(dá)到剛度比的要求。按照傳統(tǒng)的方式則會(huì)增大結(jié)構(gòu)外圍的梁、柱的截面，或者引入抗震墻，和使用更高強(qiáng)度的材料，但是這樣反而使得整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量加大，使得地震效應(yīng)加大。而且增大構(gòu)件截面、提高材料強(qiáng)度等級(jí)會(huì)增加建筑結(jié)構(gòu)的造價(jià)，經(jīng)濟(jì)性能較差。消能減震技術(shù)的引入將提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，為工程帶來很好的安全保證和經(jīng)濟(jì)效益。工程中常用的阻尼器按耗能原理可分為速度型和位移型兩類，其中速度型阻尼器主要是黏滯阻尼器，而位移型阻尼器主要是金屬阻尼器，兩者在消能減震設(shè)計(jì)中均有應(yīng)用。但是，黏滯阻尼器在大變形下的耗能效果比小變形狀態(tài)下差，而金屬阻尼器在大變形下耗能效果較好。金屬阻尼器是將軟鋼作為耗能板，利用其屈服強(qiáng)度低、延性好等優(yōu)點(diǎn)，與主體結(jié)構(gòu)相比，它能夠更早進(jìn)入屈服，從而可利用軟鋼屈服后的累積塑性變形來達(dá)到耗散地震能量的效果。金屬阻尼器具有抗側(cè)剛度大、延性比大，以及材料利用率高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。金屬阻尼器不但能為結(jié)構(gòu)提供附加剛度，還能為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，本文將選用剪切型金屬阻尼器，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)分析，研究阻尼器對(duì)豎向收進(jìn)結(jié)構(gòu)中的剛度加強(qiáng)和抗震性能提升。

1 工程概況

該工程位于云南省某市，建筑功能為4層幼兒園，房屋高度為15.8m，建筑面積為5 418.2 m2，該工程概況見表1，項(xiàng)目效果圖見圖1。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，該工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為II類，特征周期為0.45 s。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)的第6.0.8條，該工程抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2010(2016年版)第6.1.3條第4款規(guī)定，乙建筑按規(guī)定提高一度確定其抗震等級(jí)，故本項(xiàng)目抗震等級(jí)為二級(jí)。根據(jù)《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》(云南省人民政府令第202號(hào))的相關(guān)要求，需采用隔震減震技術(shù)，該工程采用減震技術(shù)。

表1 工程概況表

2 建立有限元模型

2.1 阻尼器的選取及布置

該工程選用的剪切型金屬阻尼器參數(shù)和數(shù)量見表2，阻尼器從豎向收進(jìn)層開始布置，樓層平面內(nèi)的布置遵循“均勻、分散、對(duì)稱”的原則，其詳細(xì)布置位置詳見圖2～4。

表2 阻尼器參數(shù)表

2.2 阻尼器在YJK軟件模型中的等效

該工程用YJK軟件建立上部結(jié)構(gòu)，利用線性等效方法，用等代扁柱來模擬阻尼器，在進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)時(shí)，確保金屬阻尼器與實(shí)際支撐件串聯(lián)的剛度與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中的等代支撐剛度相等。等代扁柱的截面估算方法如下：選取實(shí)際支撐件的截面尺寸，保證支撐在大震下具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，且保持彈性為準(zhǔn)，得到實(shí)際支撐件截面面積；求出實(shí)際支撐件的剛度，該工程采用墻式金屬阻尼器則為懸臂墻的剛度。計(jì)算阻尼器的支撐件水平剛度，即為懸臂墻的剪切剛度和彎曲剛度的串聯(lián)剛度。該項(xiàng)目設(shè)定阻尼器在多遇地震作用下不屈服，得到阻尼器的等效剛度為屈服前剛度，計(jì)算實(shí)際支撐件或懸臂墻與阻尼器組成系統(tǒng)的串聯(lián)剛度為YJK中等代扁柱的水平剛度)，并根據(jù)系統(tǒng)串聯(lián)剛度求得等代扁柱的尺寸，便能確定結(jié)構(gòu)YJK分析軟件中反應(yīng)譜分析的等代扁柱的大小。通過求得的等代扁柱建立的YJK計(jì)算模型見圖5。

2.3 SAP2000與YJK模型對(duì)比分析

SAP2000是一款集成化的高性能大型有限元分析軟件，SAP2000不僅可以進(jìn)行基于對(duì)象的非線性分析，也可以實(shí)現(xiàn)基于對(duì)象的自動(dòng)網(wǎng)格劃分。在SAP2000中有許多非線性單元可以模擬減震器和隔震裝置，SAP2000常用于減隔震項(xiàng)目的設(shè)計(jì)分析。剪切型金屬阻尼器可通過軟件中的Plastic(Wen)單元來模擬，定義剪切向的屬性來設(shè)置阻尼器的特性。SAP2000分析模型見圖6，SAP2000與YJK模型數(shù)據(jù)對(duì)比見表3、表4。

表4 模型周期對(duì)比(前三階)(單位：s)

表3 模型質(zhì)量對(duì)比(單位：Ton)

通過對(duì)比SAP2000與YJK模型，模型的質(zhì)量、前三階周期以及地震剪力誤差均在5 %以內(nèi)，模型吻合度較高，用等代扁鋼模擬未屈服剪切型金屬阻尼器的方式較為合理。

表5 模型地震剪力對(duì)比(單位：kN)

3 非減震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)時(shí)程分析對(duì)比

3.1 非減震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程對(duì)比分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)5.1.2條規(guī)定，該項(xiàng)目選用7條地震波，其中2條人工波，5條天然地震波時(shí)程曲線，對(duì)結(jié)構(gòu)不設(shè)置阻尼器與設(shè)置阻尼器的模型分別進(jìn)行彈性時(shí)程分析。分析結(jié)果見圖7～10。在收進(jìn)層設(shè)置了阻尼器器后，該層的層間位移角明顯減小，剛度增加顯著。整體結(jié)構(gòu)在設(shè)置了阻尼器后，最大層間位移角變小，減震效果突出。

3.2 非減震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程對(duì)比分析

建立該項(xiàng)目的彈塑性分析模型，選取三條地震波時(shí)程曲線，分別對(duì)設(shè)置阻尼器和不設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行非線性彈塑性分析，分析結(jié)果見表6～7及圖11～14。減震結(jié)構(gòu)最大層間位移角與非減震結(jié)構(gòu)最大層間位移角的比值小于0.75，結(jié)構(gòu)整體位移減小，阻尼器在罕遇地震作用下屈服耗能充分，為結(jié)構(gòu)主體提供了良好的安全保證。

表6 X向?qū)娱g位移角對(duì)比表(單位：1/rad)

表7 Y向?qū)娱g位移角對(duì)比表(單位：1/rad)

4 結(jié) 語

通過在豎向收進(jìn)框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)剪切型金屬阻尼器，通過等代扁鋼的方式對(duì)阻尼器進(jìn)行等效處理，并對(duì)非減震與減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析對(duì)比，研究了多遇和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角變化情況，得出以下結(jié)論：阻尼器在多遇地震作用下不屈服，為結(jié)構(gòu)提供附加剛度，在豎向收進(jìn)層設(shè)置阻尼器可提高該層的豎向剛度；應(yīng)用等代扁鋼等效未屈服的剪切型金屬阻尼器有效可行；在多遇和罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角減小明顯，增設(shè)阻尼器的減震結(jié)構(gòu)效果顯著，消能減震裝置可為結(jié)構(gòu)提供安全儲(chǔ)備。