摘要：大理市某中學(xué)宿舍樓建設(shè)項(xiàng)目是高烈度區(qū)典型的學(xué)校類(lèi)建筑，主體結(jié)構(gòu)采用了框架結(jié)構(gòu)，采用了基于摩擦型抗震消能器的消能減震技術(shù)進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，摩擦型消能器采用了墻式連接，在小震下起滑耗能，為主體結(jié)構(gòu)提供一定的剛度和附加阻尼比。對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反應(yīng)譜分析，小震時(shí)程分析，罕遇地震彈塑性時(shí)程分析，并與常規(guī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，分析了減震效果。采用消能減震技術(shù)，顯著改善了結(jié)構(gòu)指標(biāo)，減小了地震作用，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

關(guān)鍵詞：學(xué)校建筑;消能減震;高烈度區(qū);摩擦消能器;墻式連接;附加阻尼比

Abstract： A middle school dormitory building is a typical educational building in high earthquake intensity regions. The main structure is designed with seismic energy dissipation technology based on friction energy dissipation device. The main building is frame structure. The fiction energy dissipation device slips under multiple earthquake and it provides a certain additional stiffness and additional damping ratio. The energy dissipation structure was analysised by response spectrum method， time history analysis and elastic-plastic time history analysis. The analysis results is compared to conventional structure. The seismic performance and structure index is improved by energy dissipation technology. The seismic effect is significantly reduced.

Keywords： school building; energy dissipation; high intensity regions; friction energy dissipation device;wall connection; ?additional damping ratio

1 ?工程概況

本工程為學(xué)校建筑，地上6層（局部7層），結(jié)構(gòu)高度18.0m，建筑面積3865m2。根據(jù)《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》屬于必須采用減隔震技術(shù)的建筑工程。為符合政策法規(guī)要求，并實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全、合理、經(jīng)濟(jì)，切實(shí)提高本工程的抗震性能，依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)范及云南省的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了本工程的消能減震設(shè)計(jì)。

根據(jù)本項(xiàng)目業(yè)主和建筑要求，采用了基于墻式連接的摩擦型抗震阻尼器的消能減震方案。本工程中所有摩擦型抗震阻尼器在小震下起滑耗能，阻尼器為結(jié)構(gòu)提供一定的剛度的同時(shí)，在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要方向上為主體結(jié)構(gòu)提供一定的附加阻尼比，在中大震下持續(xù)穩(wěn)定耗能。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)方面，本工程抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為8度0.20g，場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)，特征周期0.45s。

作為高烈度區(qū)的框架結(jié)構(gòu)，地震作用較大，結(jié)構(gòu)自身的抗側(cè)抗扭剛度較弱，層間位移大，常規(guī)結(jié)構(gòu)手段設(shè)計(jì)梁柱尺寸配筋均較大，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，采用消能減震技術(shù)是合適的。

《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》第三條第二點(diǎn)指出，8度以上區(qū)域內(nèi)單體建筑面積1000平方米以上的重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)、特殊設(shè)防類(lèi)建筑工程應(yīng)當(dāng)采用隔震減震技術(shù)。因此從政策角度來(lái)看本項(xiàng)目也必須采用隔震減震技術(shù)。

1.1消能減震設(shè)計(jì)的規(guī)范及政策依據(jù)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 ? ? ? ?GB50011-2010

《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》 ? ?JGJ297-2013

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 ? ? ?GB50010-2010

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 ? ? ? ? ?GB50017-2017

《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》及細(xì)則

《云南省建筑消能減震設(shè)計(jì)與審查技術(shù)導(dǎo)則》

（下文中分別簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī)、消規(guī)、混規(guī)、鋼規(guī)、云南省細(xì)則、云南省導(dǎo)則）

1.2 消能減震方案

1.2.1 阻尼器選型

本項(xiàng)目屬于高烈度區(qū)項(xiàng)目，主體結(jié)構(gòu)為框架，同時(shí)存在地震力較大及剛度較弱的問(wèn)題，因此從技術(shù)角度考慮，采用可同時(shí)提供剛度和小震下附加阻尼比的阻尼器類(lèi)型較為適用，《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》中3.1.5條指出“金屬消能器、摩擦消能器和黏彈性消能器能為主體結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比和附加剛度”，因此這三種阻尼器較為適用。

從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》中3.1.5條也指出金屬消能器與摩擦消能器費(fèi)用較低。

根據(jù)規(guī)范建議，同時(shí)考慮本工程希望提供較高的附加阻尼比，方便子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終選定摩擦型抗震阻尼器進(jìn)行本工程的消能減震設(shè)計(jì)。

1.2.2 阻尼器布置

阻尼器的布置遵循規(guī)范建議的“對(duì)稱(chēng)、周邊、均勻、分散”的原則，布置在結(jié)構(gòu)的主要樓層上，布置情況如下：

本單體的阻尼器布置及附加阻尼比情況如表1所示。

1.2.3 阻尼器的連接形式

考慮到本工程的建筑接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用性?xún)r(jià)比較高的墻式連接形式，也稱(chēng)中間柱型連接，既能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求，也可完全放置于建筑墻體中，不對(duì)建筑的使用和外觀(guān)產(chǎn)生影響。

2 ?消能減震計(jì)算分析

2.1 ?多遇地震反應(yīng)譜分析

采用PKPM軟件進(jìn)行了本項(xiàng)目消能減震結(jié)構(gòu)的小震反應(yīng)譜分析。

對(duì)于小震反應(yīng)譜分析中的消能部件的有效剛度和抗震阻尼器提供的附加阻尼比，則按照《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》6.3.3條或6.3.4條規(guī)定的反應(yīng)譜迭代的方法計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)位移滿(mǎn)足規(guī)范要求，且有一定余量，最大位移角為1/645，滿(mǎn)足云南省不大于1/610的要求，同時(shí)附加阻尼比計(jì)算結(jié)果的80%大于目標(biāo)附加阻尼比3.0%的要求。結(jié)構(gòu)無(wú)明顯扭轉(zhuǎn)，也無(wú)薄弱層和軟弱層，整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。

2.2 ?多遇地震時(shí)程分析

采用MIDAS/gen進(jìn)行了消能減震結(jié)構(gòu)的小震時(shí)程分析，對(duì)阻尼器進(jìn)行了真實(shí)建模，阻尼器單元采用了一般連接單元，按照實(shí)際的連接墻及阻尼器參數(shù)輸入計(jì)算模型中。

選擇7條地震波進(jìn)行小震時(shí)程分析，結(jié)果表明阻尼器工作狀況符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)指標(biāo)均可被反應(yīng)譜結(jié)果所包絡(luò)。

2.3 ?罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.5.2條規(guī)定：采用隔震和消能減震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算，同時(shí)為進(jìn)一步驗(yàn)證本工程消能減震結(jié)構(gòu)在大震下的性能以及阻尼器的工作情況，采用MIDAS GEN軟件進(jìn)行了罕遇地震作用的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。選用地震波與前文中的小震彈性時(shí)程分析是一致的（驗(yàn)算表明，罕遇地震下場(chǎng)地特征周期增加0.05秒后，所需地震波仍然滿(mǎn)足與反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符的要求），共進(jìn)行了七條波，每條波均對(duì)X、Y向分別進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。

分析模型中框架梁的塑性鉸采用My、Mz方向的彎曲鉸，滯回模型采用修正的武田三折線(xiàn)模型，參數(shù)設(shè)置如圖6所示?？蚣苤乃苄糟q采用PMM鉸，滯回模型采用隨動(dòng)硬化模型，參數(shù)設(shè)置如圖7所示。

罕遇地震結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下表所示（以X向?yàn)槔?，X、Y向罕遇地震作用下的最大層間位移角分別為1/156和/144，均滿(mǎn)足規(guī)范1/50的要求，也滿(mǎn)足云南省1/100的要求，可見(jiàn)采用消能減震技術(shù)手，結(jié)構(gòu)的抗震性能良好。

X向在人工波1罕遇地震作用下的最終出鉸圖如圖8所示，大部分的框架梁和部分框架柱均出現(xiàn)了塑性鉸，其中框架梁多數(shù)出現(xiàn)第一階至第二屈服階段的塑性鉸;框架柱出現(xiàn)的塑性鉸多數(shù)為第一階段屈服，部分位置出現(xiàn)第二屈服階段的塑性鉸，實(shí)際施工圖設(shè)計(jì)時(shí)將對(duì)這些位置的構(gòu)件配筋進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)，總體來(lái)看框架柱的塑性鉸開(kāi)展程度較輕，結(jié)構(gòu)塑性開(kāi)展情況符合抗震概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。其余地震波工況下結(jié)構(gòu)出鉸均類(lèi)似。

3 ?消能減震專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)

3.1 ?消能器的設(shè)計(jì)位移

根據(jù)罕遇地震計(jì)算結(jié)果，確定了阻尼器的設(shè)計(jì)位移如表5所示，設(shè)計(jì)位移將作為阻尼器的檢測(cè)依據(jù)。

3.2 ?減震效果分析

為反應(yīng)阻尼器的作用，將彈塑性分析的模型去除所有的消能部件，主體結(jié)構(gòu)配筋和構(gòu)件尺寸不變，形成非減震結(jié)構(gòu)，對(duì)此非減震結(jié)構(gòu)再進(jìn)行了罕遇地震作用的彈塑性分析，對(duì)比減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)罕遇地震下各層七條波平均位移角如表7所示。可見(jiàn)減震結(jié)構(gòu)的位移角與非減震結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)樓層的位移角之比值的最小值小于75%，提現(xiàn)了消能減震結(jié)構(gòu)在抗震性能上的優(yōu)勢(shì)，符合云南省的要求。

3.2 ?消能子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》中6.4.2條第1款：消能子結(jié)構(gòu)中梁、柱、墻構(gòu)件宜按重要構(gòu)件設(shè)計(jì)，并應(yīng)考慮罕遇地震作用效應(yīng)和其他荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)，其值應(yīng)小于構(gòu)件極限承載力。

按照規(guī)范要求，對(duì)本工程的所有消能子結(jié)構(gòu)（與消能部件直接相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件）按重要構(gòu)件設(shè)計(jì)，如消能部件布置豎向不連續(xù)，則最下部的消能子結(jié)構(gòu)往下延伸一層的豎向構(gòu)件也按消能子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

所有消能子結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用的復(fù)核驗(yàn)算，地震和其它荷載作用取標(biāo)準(zhǔn)值，材料強(qiáng)度取極限值，對(duì)消能子結(jié)構(gòu)的框架梁進(jìn)行受彎、受剪的驗(yàn)算，對(duì)消能子結(jié)構(gòu)的框架柱，采用PM包絡(luò)線(xiàn)按壓彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算（典型算例如圖10所示），驗(yàn)算結(jié)果表明所有消能子結(jié)構(gòu)的框架梁柱均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3 ?消能器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》7.1.5條規(guī)定消能器的支撐或連接元件或構(gòu)件、連接板應(yīng)保持彈性;7.1.6 與位移相關(guān)型或速度相關(guān)型消能器相連的預(yù)埋件、支撐和支墩、剪力墻及節(jié)點(diǎn)板的作用力取值應(yīng)為消能器在設(shè)計(jì)位移或設(shè)計(jì)速度下對(duì)應(yīng)阻尼力的1.2倍。

消能器相關(guān)節(jié)點(diǎn)采用大震彈性設(shè)計(jì)，消能器出力取極限值，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。

消能器兩側(cè)應(yīng)注意預(yù)留不小于設(shè)計(jì)位移的變形空間，采用柔性材料填充，同時(shí)消能器所在砌體位置應(yīng)采用專(zhuān)門(mén)做法，防止墻體開(kāi)裂或漏水。

4 ?結(jié)論

對(duì)某高烈度區(qū)的教育類(lèi)建筑的消能減震方案及設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

1）選用阻尼器為規(guī)范推薦的常用阻尼器類(lèi)型，產(chǎn)品類(lèi)型及連接形式應(yīng)用較多，成熟可靠;

2）阻尼器數(shù)量、布置符合規(guī)范要求;

3）減震結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)符合規(guī)范要求;

4）小震反應(yīng)譜、小震時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果符合預(yù)期目標(biāo);

5）結(jié)構(gòu)罕遇地震的彈塑性分析結(jié)果符合規(guī)范要求;

6）阻尼器的工作狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求;

7）減震效果明顯，消能減震結(jié)構(gòu)的減震率符合要求;

8）阻尼器的連接和節(jié)點(diǎn)按大震彈性設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則符合規(guī)范要求;

9）消能子結(jié)構(gòu)按規(guī)范要求進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，按小震計(jì)算結(jié)果和罕遇地震結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，符合規(guī)范要求。

本工程的目前已順利通過(guò)了抗震專(zhuān)項(xiàng)審查及施工圖審查，減震方案經(jīng)濟(jì)合理，值得在高烈度區(qū)的類(lèi)似項(xiàng)目中借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011-2010[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[2] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50010-2010[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[3] 建筑消能減震技術(shù)規(guī)程： JGJ 297-2013[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012

[4] 建筑消能阻尼器 JG/T 209-2012[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011

[5] MIDAS/GEN 用戶(hù)手冊(cè)[M]. 北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2008

作者簡(jiǎn)介：楊青（1985– ），女，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。