王成志 沈 婷 魏結(jié)強(qiáng) 潘慶祥

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

0 引言

中國(guó)是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，如何提高房屋的抗震性能已經(jīng)成為工程設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行抗震，在高烈度區(qū)，需要較大的構(gòu)件截面去抵抗地震，甚至需要改變結(jié)構(gòu)體系(如增加抗震墻)。這種“硬抗”地震的方式需要結(jié)構(gòu)提供足夠的剛度，但這樣又會(huì)進(jìn)一步加劇地震反應(yīng)。消能減震技術(shù)另辟蹊徑，通過(guò)設(shè)置消能器來(lái)耗散地震輸入能量，以“消”代“抗”，為結(jié)構(gòu)抗震提供了新的解決方案。近年來(lái)，消能減震技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑工程中。與相應(yīng)的非消能減震結(jié)構(gòu)相比，消能減震結(jié)構(gòu)可減少地震反應(yīng)20%～40%左右，從而增加結(jié)構(gòu)抗震能力，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全[1]。本工程即采用黏滯消能器進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本工程建筑功能為科研辦公，地上12層，地下1層，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5 m，房屋高度51.9 m，建筑面積23 928 m2。結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻體系，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，建筑場(chǎng)地為Ⅲ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

方案階段采用傳統(tǒng)的框架—抗震墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行試算，需要將Y向抗震墻加厚至500 mm，框架柱截面加大到1 200 mm才能使得Y向?qū)娱g位移角滿足規(guī)范[2]要求，但這種通過(guò)增加結(jié)構(gòu)剛度來(lái)硬抗地震的做法進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)加大，配筋量也顯著增加，甚至有一部分抗側(cè)力構(gòu)件超筋。傳統(tǒng)的抗震方案使得工程造價(jià)提高，大震下結(jié)構(gòu)的安全度降低，建筑使用功能也受到限制，這是業(yè)主和設(shè)計(jì)師不希望看到的。因此，本工程決定引入消能減震技術(shù)，通過(guò)“抗震”和“減震”兩種方式抵御地震作用，以滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)構(gòu)消能減震方案

2.1 消能器類(lèi)型的選擇

消能器根據(jù)力學(xué)性能不同可分為黏滯消能器、黏彈性消能器、摩擦消能器、金屬消能器、屈曲約束支撐等，它們都是通過(guò)附加阻尼來(lái)耗散地震能量。區(qū)別于其他四種消能器，黏滯消能器單純提供阻尼而不附加剛度，一般不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和受力體系。本工程體型規(guī)則，沒(méi)有明顯的薄弱層，采用框架—剪力墻體系已經(jīng)提供了相當(dāng)?shù)膭偠龋Y(jié)構(gòu)變形較大的根本原因是地震烈度較高，因此采用黏滯消能器這種無(wú)剛度的消能減震方案尤其適合，一方面能提供較大的阻尼進(jìn)行消能減震，另一方面不會(huì)增加結(jié)構(gòu)剛度而使得地震反應(yīng)加劇或剛度突變形成新的薄弱層。因此本工程決定采用黏滯消能器進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)。

2.2 消能器布置

消能器的布置宜遵循均勻、對(duì)稱(chēng)的原則，避免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；對(duì)于豎向規(guī)則的建筑，要盡量從下到上均勻布置[3]。本工程體型規(guī)則，無(wú)剛度突變樓層，綜合考慮建筑使用功能和優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，決定從下到上每層沿X，Y兩個(gè)方向各布置2套黏滯阻尼器，共計(jì)48套，消能器布置情況如表1所示，消能器平面位置及支撐方式如圖2，圖3所示。

表1 各樓層消能器布置

2.3 消能器參數(shù)

黏滯消能器的力學(xué)行為可以采用Maxwell模型來(lái)描述，消能器的阻尼力和變形之間的數(shù)學(xué)表達(dá)可采用下式[4]:

F=CVα

(1)

其中，C為阻尼系數(shù)；V為消能器變形速率；α為阻尼指數(shù)。阻尼指數(shù)α越小耗能效果越好，但α過(guò)小會(huì)使消能器內(nèi)部產(chǎn)生高壓和射流，從而使得消能器性能不穩(wěn)定，因此一般在0.2～0.4范圍內(nèi)取值，本工程取為0.3。對(duì)原始框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜計(jì)算，結(jié)果顯示中間樓層變形較大，為充分發(fā)揮消能器減震效率，對(duì)4層～9層的消能器選擇較大的阻尼系數(shù)(C=1 500 kN·(m/s)-0.3)。消能器的具體參數(shù)如表2所示。

表2 黏滯消能器參數(shù)

2.4 抗震設(shè)防目標(biāo)

與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，消能減震結(jié)構(gòu)依靠消能器良好的耗能能力，在不改變結(jié)構(gòu)布置和形式的情況下可以實(shí)現(xiàn)更高的抗震設(shè)防目標(biāo)[3]。本工程的抗震設(shè)防目標(biāo)定為：多遇地震時(shí)消能器即發(fā)揮耗能能力，主體結(jié)構(gòu)保持彈性；設(shè)防地震下消能器充分發(fā)揮耗能能力，主體結(jié)構(gòu)可能損壞，經(jīng)一般修理或不需要修理仍可繼續(xù)使用；罕遇地震作用下消能器發(fā)揮最大功能，主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生嚴(yán)重破壞，彈塑性層間位移角不超過(guò)1/120。

3 地震作用下的結(jié)構(gòu)消能減震分析

動(dòng)力時(shí)程分析能夠直接輸入地震動(dòng)來(lái)模擬結(jié)構(gòu)和消能器在地震下的真實(shí)反應(yīng)，計(jì)算結(jié)果直接明了，建議作為消能減震結(jié)構(gòu)的主要分析方法。本工程采用YJK軟件進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析和大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，考慮到建模時(shí)往往忽略掉黏滯消能器的線性有效剛度，為減小計(jì)算誤差，積分方法選擇Newmark直接積分法；彈塑性分析時(shí)梁、柱、斜撐采用纖維束模型，剪力墻和樓板采用分層殼模型。為提高計(jì)算結(jié)果的可靠性，按規(guī)范[2]要求選取7條加速度時(shí)程曲線進(jìn)行分析，其中5條為實(shí)際強(qiáng)震記錄，2條人工模擬的時(shí)程曲線，最終取7組時(shí)程分析結(jié)果的平均值作為地震反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。下文中未布置消能器的結(jié)構(gòu)定義為無(wú)控結(jié)構(gòu)，附加消能器的結(jié)構(gòu)定義為有控結(jié)構(gòu)。

3.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

對(duì)無(wú)控結(jié)構(gòu)和有控結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析，并與無(wú)控結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析結(jié)果進(jìn)行比較，將主要的計(jì)算結(jié)果(樓層剪力、結(jié)構(gòu)變形等)列于表3，結(jié)構(gòu)樓層曲線見(jiàn)圖4。

表3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)時(shí)程分析結(jié)果

從表3中可以看出，無(wú)控結(jié)構(gòu)時(shí)程分析結(jié)果略小于反應(yīng)譜分析結(jié)果，但差別基本在10%以?xún)?nèi)；兩種分析方法均表明無(wú)控結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角大于1/800，不滿足規(guī)范的彈性目標(biāo)要求。減震前后的時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比顯示，有控結(jié)構(gòu)的基底剪力、樓層位移有了很大程度的降低，層間位移角也能滿足彈性目標(biāo)要求，表明黏滯消能器在多遇地震下已經(jīng)發(fā)揮了很好的減震效果。各樓層的層剪力減震率如表4所示，X，Y兩個(gè)方向的減震率相當(dāng)，大部分樓層剪力減震率在30%以上。

表4 多遇地震下各樓層的層剪力減震率 %

3.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，以期得到以下結(jié)果：1)通過(guò)減震前后結(jié)果對(duì)比考察消能器的減震效果；2)查看有控模型的層間變形和屈服機(jī)制，判定減震方案是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的設(shè)防目標(biāo)；3)讀取消能器的最大阻尼力、極限速度、極限位移等結(jié)果進(jìn)行消能器設(shè)計(jì)；4)讀取與消能器相連的支撐及消能子結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力，進(jìn)行消能部件和消能子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)將動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的主要計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 罕遇地震下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

從表5可以看出，無(wú)控結(jié)構(gòu)頂部Y向最大位移488 mm，層間位移角1/91也超過(guò)了規(guī)范允許值，說(shuō)明無(wú)控結(jié)構(gòu)在大震下發(fā)生了很大的變形，已經(jīng)接近倒塌。設(shè)置阻尼器后，有控結(jié)構(gòu)的變形得到了很好的控制，層間位移角也能滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求(≤1/120)，基底剪力有了顯著降低。Artwave-RH1TG055波罕遇地震作用下6層阻尼器的滯回曲線如圖5所示，從圖5中可以看出，阻尼器的滯回曲線飽滿，阻尼器最大出力711 kN，最大行程不超過(guò)±18 mm，耗能效果良好。

3.3 等效附加阻尼比

黏滯消能器理論上不提供靜剛度，而僅僅通過(guò)附加阻尼來(lái)耗散結(jié)構(gòu)的地震輸入能量，因此可以采用附加等效阻尼比來(lái)評(píng)價(jià)減震效果，這樣也方便采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)?！断軠p震技術(shù)規(guī)程》基于能量和等效線性化方法，提出消能器的等效附加阻尼比ξa可以按照式(2)進(jìn)行估算：

(2)

其中，Wcj為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Δuj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；Ws為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總變形能。

按照上式算得的結(jié)構(gòu)多遇地震下X向等效附加阻尼比為6.5%，Y向等效附加阻尼比為6.3%。取X,Y兩個(gè)方向較小值作為附加阻尼比，則有控結(jié)構(gòu)總阻尼比為11.3%。將多遇地震下11.3%阻尼比的無(wú)控結(jié)構(gòu)和布置消能器的有控結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表6所示。計(jì)算結(jié)果表明，11.3%阻尼比的無(wú)控結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析結(jié)果比有控結(jié)構(gòu)時(shí)程分析結(jié)果偏大，這說(shuō)明采用規(guī)范方法計(jì)算的附加阻尼比是偏安全的?？紤]到消能器性能偏差、連接安裝缺陷等不利因素影響，將上述附加阻尼比進(jìn)行適當(dāng)折減，折減系數(shù)取0.8，最終等效附加阻尼比取為5%。

表6 多遇地震下結(jié)構(gòu)減震效果分析對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本工程經(jīng)過(guò)多輪方案比選，最終采用黏滯消能器進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)。對(duì)減震前后的時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明有控結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)顯著降低，消能器減震效果良好。對(duì)有控模型進(jìn)行大震彈塑性時(shí)程分析，層間位移角小于1/120目標(biāo)，減震方案能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的設(shè)防目標(biāo)。多遇地震下消能器的等效附加阻尼比偏安全的取為5%，主體結(jié)構(gòu)可按10%的總阻尼比進(jìn)行反應(yīng)譜分析和設(shè)計(jì)。研究表明，消能減震技術(shù)對(duì)于高烈度區(qū)的房屋抗震設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。