沈 維 亮

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 消能減震技術(shù)

消能減震技術(shù)就是通過提升結(jié)構(gòu)的附加阻尼來降低地震對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力反應(yīng)，消能減震技術(shù)在當(dāng)前階段的應(yīng)用范圍非常廣。不僅能夠在新建建筑物中使用減震技術(shù)，還能夠應(yīng)用于老舊建筑物的抗震改造中，同時既能夠應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中，又能夠應(yīng)用在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中[1]。

建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計是把結(jié)構(gòu)的某些抗側(cè)力構(gòu)件(支撐、連接件等) 設(shè)計成阻尼構(gòu)件、或者在構(gòu)件的某些部位(層間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等) 設(shè)置消能部件、使該建筑在地震和風(fēng)荷載作用下,隨著結(jié)構(gòu)影響的增大,通過消能構(gòu)件或者消能器相對變形或者相對速度提供附加阻尼,大量消耗輸入主體結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量,達(dá)到預(yù)期防震要求[2]。

2 工程概況

本項目建設(shè)于海口市長秀片區(qū)(B區(qū))內(nèi)，建筑內(nèi)容為18 000座甲級體育館，可滿足舉辦全國性和單項國際比賽的要求。本工程建筑高度為48.60 m，建筑層數(shù)為地下1層，地上6層(比賽廳為單層大空間)。底層層高4.3 m、2層4.1 m、3層6.33 m、4層4.8 m、5層4.3 m，室內(nèi)外高差150 mm?？磁_平面如圖1所示，剖面如圖2所示。

本工程抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本地震加速度0.30g，地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類，特征周期0.40 s。體育館容納人數(shù)為18 000座大于4 500，根據(jù)GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)條文說明6.0.3本工程屬于重點(diǎn)設(shè)防類[3]。

3 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

本項目為乙類設(shè)防建筑，重要性程度高，抗震性能要求高；同時位于高烈度地區(qū)，地震作用大，需采用有效措施保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。基于此，對本體育館結(jié)構(gòu)體系提出兩種方案進(jìn)行比選：1)抗震方案：框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系；2)減震方案：框架—屈曲約束支撐+黏滯阻尼墻結(jié)構(gòu)體系。

3.1 抗震結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)布置

抗震結(jié)構(gòu)體系最初考慮框架結(jié)構(gòu)，但由于地震烈度較高，地震力較大，水平位移不滿足要求，故增加設(shè)置剪力墻。由于體育館上層看臺處剛度較弱，所以剪力墻布置在相應(yīng)位置，在提高結(jié)構(gòu)整體剛度的同時，也可有效控制看臺處的局部水平變形。經(jīng)計算分析，結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較明顯，在平面環(huán)向增加設(shè)置部分剪力墻。最后的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

3.2 消能減震方案結(jié)構(gòu)布置

在抗震方案的基礎(chǔ)上，提出消能減震方案。消能減震方案采用框架—屈曲約束支撐+黏滯阻尼墻抗側(cè)力體系，如圖4所示。減震部件布置如下：1)黏滯阻尼墻布置：黏滯阻尼墻布置于結(jié)構(gòu)的1F和2F，黏滯阻尼墻在小、中、大震下均發(fā)揮耗能作用；2)屈曲約束支撐布置：為保證結(jié)構(gòu)整體剛度的同時進(jìn)一步提高中震和大震下的減震效果，將抗震方案的剪力墻替換為屈曲約束支撐。

4 減震部件布置方案對比

4.1 減震部件布置方案

方案1：1F～2F布置黏滯阻尼墻，3F～4F布置屈曲約束支撐，布置立面圖如圖5所示。

方案2：1F～3F布置黏滯阻尼墻，4F布置屈曲約束支撐，布置立面圖如圖6所示。

方案3：1F～2F布置黏滯阻尼墻，3F布置屈曲約束支撐，4F布置黏滯阻尼墻，布置立面圖如圖7所示。

4.2 分析結(jié)果對比

分析結(jié)果如圖8，表1所示。

表1 最大層間位移角對比

由于方案2和方案3分別在3F和4F采用黏滯阻尼墻替代屈曲約束支撐，相應(yīng)樓層剛度突變，導(dǎo)致層間位移角不滿足規(guī)范要求。因此，本項目采用方案1布置方式。

5 減震結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)計算對比分析及計算結(jié)果

本項目在地震作用下的耗能減震效率采用非線性彈性時程分析，地震波從Ⅱ類場地的地震波庫中選取，選用的5組天然波TR1,TR2,TR3,TR4,TR5和2組人工波RG1,RG2(共7組波)。

5.1 附加阻尼比分析

采用能量對比法對7組時程波下的附加阻尼比分別進(jìn)行計算，多遇地震結(jié)果如表2所示，設(shè)防地震結(jié)果見表3。

表2 多遇地震附加阻尼比計算

表3 設(shè)防地震附加阻尼比計算 %

由表2可知小震下附加阻尼比2%，由表3可知中震下附加阻尼比2.1%，有利于降低地震作用。

5.2 地震作用結(jié)果分析對比

采用以上7條時程波對抗震方案和消能減震方案進(jìn)行對比，多遇地震對比結(jié)果見表4，設(shè)防地震對比結(jié)果見表5。

表5 設(shè)防地震分析結(jié)果對比

由上面對比可知，多遇地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，相較于抗震方案減小地震作用約33%(X向)、42%(Y向)；設(shè)防地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，屈曲約束支撐部分耗能，相較于剛性方案減小地震作用約36%(X向)、43%(Y向)。

5.3 耗能構(gòu)件分析

通過分析，設(shè)防地震下，約有55%的屈曲約束支撐進(jìn)入屈服耗能，通過黏滯阻尼墻與屈曲約束支撐同時發(fā)揮耗能作用，設(shè)防地震下消能減震裝置共提供附加阻尼比約2.1%，相較于抗震結(jié)構(gòu)方案地震作用減小35%～40%。

大震下黏滯阻尼墻繼續(xù)發(fā)揮耗能作用，屈曲約束支撐基本全部屈服，減震部件耗能約占總能量的25%，提供附加阻尼比約2.6%，體現(xiàn)了良好的耗能效果。構(gòu)件塑性耗能占30%左右，通過采用減震方案，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件得到有效保護(hù)，改善了結(jié)構(gòu)抗震性能。

6 結(jié)語

從上面的分析結(jié)果可知，消能減震方案相比抗震方案有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：

1)消能減震方案的周期較抗震方案有一定程度的增大，同時，小震下附加阻尼比2%，中震下附加阻尼比2.1%，有利于降低地震作用；

2)多遇地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，相較于抗震方案減小地震作用約33%(X向)、42%(Y向)；設(shè)防地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，屈曲約束支撐部分耗能，相較于剛性方案減小地震作用約36%(X向)、43%(Y向)；罕遇地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻繼續(xù)耗能，屈曲約束支撐基本進(jìn)入屈服耗能，有效減小了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷，體現(xiàn)了良好的耗能機(jī)制。

綜上所述，本項目采用了消能減震方案：框架—屈曲約束支撐+黏滯阻尼墻結(jié)構(gòu)體系，通過組合消能減震措施保證各個地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的抗震性能。