白謹(jǐn)瑋 潘文 張?zhí)飸c

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.昆明理工大學(xué)工程抗震研究所 昆明 650500；3.中國(guó)建筑第二工程局有限公司 昆明 650501)

0 引言

消能減震[1]在改善并提高建筑抗震性能方面起著關(guān)鍵作用。如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)消能減震裝置的減震效果是減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的首要問(wèn)題。在減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)中，我們可以在新的減震設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)之間引入附加阻尼比[2]，這樣當(dāng)我們?cè)诳拐鹪O(shè)計(jì)中遇到新問(wèn)題時(shí)，就可以有效運(yùn)用眾所周知的抗震設(shè)計(jì)方法來(lái)解決。在減震結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)中，為了確定減震后的抗震作用，可依據(jù)附加阻尼比考慮耗能阻尼器的影響，減震前后的減震效果則能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)位移和樓板剪力來(lái)反映。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 工程概況

本項(xiàng)目位于云南省，建筑用途為口腔門診樓。該門診樓的建筑高度為21 m，整體結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu),地面結(jié)構(gòu)為5層，如圖1所示。

依據(jù)規(guī)范《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)[3]，該門診樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，安全等級(jí)為一級(jí)，建筑物抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為II類，整棟建筑物的抗震等級(jí)為二級(jí)。不利因素：場(chǎng)地處于邊坡，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，考慮邊坡放大系數(shù)1.4。

圖1 口腔門診樓的結(jié)構(gòu)模型

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和以后的施工圖設(shè)計(jì)都貫穿了強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的原則，本次樓梯的加固和連接按規(guī)范要求進(jìn)行加強(qiáng)。結(jié)構(gòu)單元平面形狀呈不規(guī)則形狀，設(shè)計(jì)應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[4]的要求，并且設(shè)計(jì)系數(shù)應(yīng)盡量滿足規(guī)范中大于1.2的要求，但不應(yīng)大于1.4的限制，且豎向規(guī)則、側(cè)向剛度、樓板承載力不突變，不出現(xiàn)薄弱層。

消能構(gòu)件:粘滯阻尼器作為耗能構(gòu)件用于本工程抗震設(shè)計(jì)，目的是為結(jié)構(gòu)提供一定的附加阻尼比而進(jìn)一步減小輸入的地震作用。

2 消能減震方案

2.1 消能減震方案

該門診樓采用粘滯阻尼器[5]作為其消能減震裝置。該裝置解決了常規(guī)直接地震計(jì)算中遇到的各種問(wèn)題。雖然在建筑結(jié)構(gòu)中加入減震器使得投資加大，但提高了整體結(jié)構(gòu)的安全性，增強(qiáng)了建筑的抗震能力。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)中減震器的安裝減少了結(jié)構(gòu)中鋼筋和混凝土的用量，降低了結(jié)構(gòu)主體部分的成本，安全且經(jīng)濟(jì)。

從功能和研究發(fā)展歷史來(lái)看，粘滯阻尼器具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)粘滯阻尼器在其他領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了很長(zhǎng)時(shí)間，表明其具有良好的可用性和可行性，具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

(2)一般的阻尼器需要經(jīng)常檢查維修，大地震后更經(jīng)常需要更換，而粘滯阻尼器基本不需要維修，可以長(zhǎng)期放置。地震后，原則上不會(huì)損壞阻尼器，不需要更換，可以繼續(xù)使用，即使需要更換，也很容易。

(3)粘滯阻尼器屬耗能裝置，因此在消能過(guò)程中溫度會(huì)有一個(gè)上升或下降，但溫度的變化對(duì)粘滯阻尼器的消能功能方面不會(huì)有太大影響。

(4)在被動(dòng)裝置的耗能系統(tǒng)中，粘滯阻尼器是一種速度相關(guān)型的耗能裝置，不會(huì)增加結(jié)構(gòu)剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)周期縮短。結(jié)構(gòu)的阻尼比只受粘滯阻尼器影響，不增加剛度而直接影響結(jié)構(gòu)周期。

2.2 結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)和性能目標(biāo)

消能減振器連接部件及節(jié)點(diǎn)的減震目標(biāo)、性能目標(biāo)及設(shè)計(jì)方法見表1、表2。

表1 層間位移角限值

表2 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)及設(shè)計(jì)方法

3 消能減震器布置方案

減振器的位置：在樓層平面內(nèi)布置遵循“均勻、分散、對(duì)稱”的原則，每層布置位置相同，具體位置見圖2，阻尼器示意見圖3。

圖2 減震器平面布置

圖3 減震器示意

為了方便查看各個(gè)減震器的力和位移情況，將每層減震器進(jìn)行編號(hào)，如表3所示。編號(hào)命名規(guī)則：方向-樓層(建筑樓層)-減震器型式-序號(hào)。例如：x-i-Q-2意思是x向第i層墻式粘滯阻尼器2號(hào)，其中：Q表示墻式阻尼器。

表3 減震器編號(hào)

4 模型的建立與對(duì)比

該門診樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。該模型是根據(jù)PKPM模型得到的，由PKPM軟件導(dǎo)入SAP。模型結(jié)果如圖4所示。

比較了SAP和PKPM計(jì)算的質(zhì)量、周期和層間剪力、層間位移和層間位移角，以此來(lái)檢驗(yàn)建立的結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，如表4、表5所示。SAP2000、PKPM計(jì)算的結(jié)構(gòu)質(zhì)量分別為3 190、3 229 t，差值為(3229-3190)/3190=1.22%。

圖4 SAP2000模型

表4 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比(前三階)

表5 結(jié)構(gòu)地震剪力對(duì)比

結(jié)合對(duì)比計(jì)算分析結(jié)果，各層結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、剪力差異不大，所以兩個(gè)軟件建立的模型基本一致。

5 地震波選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中第5.1.2條，當(dāng)采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)根據(jù)該門診樓所處的建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選擇實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄數(shù)不應(yīng)少于總數(shù)的2/3。在彈性時(shí)程分析中，每條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于模態(tài)分解反應(yīng)譜法計(jì)算的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部平均剪力不應(yīng)小于模態(tài)分解反應(yīng)譜法計(jì)算的80%。這樣做的意義在于使時(shí)程分析結(jié)果滿足最低安全管理要求，但計(jì)算結(jié)果不宜過(guò)大，每個(gè)地震波的輸入計(jì)算不宜大于135%，平均值不宜大于120%。本工程共選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工加速度時(shí)程曲線，如表6、表7所示。

表6 非減震結(jié)構(gòu)底部剪力對(duì)比 kN

表7 地震波信息

地震波的反應(yīng)譜曲線及加速度時(shí)程曲線如圖5、圖6所示。

圖5 地震波的反應(yīng)譜曲線

6 彈性時(shí)程分析

本項(xiàng)目利用PKPM建立結(jié)構(gòu)模型，然后利用SAP2000建立彈塑性時(shí)程分析[7]的減震和非減震結(jié)構(gòu)模型，其中SAP模型中的粘性阻尼器采用非線性元件Damper模擬[8]。結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果，表8、表9、表10分別為運(yùn)算分析后得出的減震與非減震結(jié)構(gòu)x向和y向的樓層剪力比、樓層層間位移比和樓層層間位移角。

圖6 加速度時(shí)程曲線

表8 層間剪力比對(duì)比

表9 樓層層間位移比對(duì)比

表10 樓層層間位移角 1/rad

7 結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

7.1 建立大震模型

運(yùn)用SAP2000建立該門診樓減震結(jié)構(gòu)并運(yùn)行彈塑性分析，在SAP2000中，使用連接單元Damper準(zhǔn)確模擬粘滯阻尼器，主體結(jié)構(gòu)框架梁、柱均定義塑性鉸[9]。

根據(jù)規(guī)范在彈塑性時(shí)程分析中對(duì)所選的地震波進(jìn)行調(diào)幅。并選取其中3條地震波數(shù)據(jù)信息進(jìn)行大震分析，取該3條地震波包絡(luò)值作為分析結(jié)果。

為了分析結(jié)構(gòu)在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，如層間位移角、地震剪力、位移、塑性鉸分布等，需要在分析單向地震輸入作用下結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上得出結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)結(jié)果，結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析結(jié)果如表11、表12所示。

表11 大震下非減震和減震的x向結(jié)構(gòu)層間位移

表12 大震下非減震和減震的結(jié)構(gòu)層間位移角 1/rad

7.2 結(jié)構(gòu)出鉸情況

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)所得，結(jié)構(gòu)在地震作用下必須具有合理的耗能機(jī)制，容許結(jié)構(gòu)在大震作用下部分構(gòu)件進(jìn)入塑性,其目的是為了能夠保障“大震不倒”這一原則。結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)。

579號(hào)波在彈塑性分析過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化如圖7、圖8所示。

(a)結(jié)構(gòu)在第610步出絞情況 (b)結(jié)構(gòu)在第700步出絞情況 (c)結(jié)構(gòu)在第1 000步出絞情況

(d)結(jié)構(gòu)在第1 500步出絞情況 (e)結(jié)構(gòu)整體在第1 500步出絞情況

(a)結(jié)構(gòu)在第610步出絞情況 (b)結(jié)構(gòu)在第700步出絞情況 (c)結(jié)構(gòu)在第1 000步出絞情況

(d)結(jié)構(gòu)在第1 500步出絞情況 (e)結(jié)構(gòu)整體在第1 500步出絞情況

8 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)主體在小震作用下具有彈性，粘滯阻尼器在小震作用下貢獻(xiàn)了附加阻尼比，因此在小震作用下開始屈服并消耗能量。

(2)罕遇地震，構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，框架梁先有梁鉸，柱有柱鉸，所以結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。

(3)在大地震作用下進(jìn)入塑性并出現(xiàn)塑性鉸的只有部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件。層間位移角在x方向?yàn)?/169，在y方向?yàn)?/161。結(jié)果表明，添加了粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)保障了結(jié)構(gòu)的安全性，具備了良好的抗震耗能機(jī)制，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

(4)在罕遇地震下，所有阻尼器均進(jìn)入一個(gè)塑性滯回耗能狀態(tài)，在降低能耗方面起到了很好的作用，為主體結(jié)構(gòu)提供了安全技術(shù)保障。