卜丹

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙410012）

1 工程概況

本項(xiàng)目為海口國(guó)家高新區(qū)某工業(yè)園生產(chǎn)研發(fā)配套樓，總建筑面積11 500 m2，建筑總高度為29.4 m，地上7 層，地下1 層，1 層層高5.4 m，2 層層高4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.9 m，主要柱網(wǎng)尺寸為9 m×9 m。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50 a，抗震設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.30 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，建筑場(chǎng)地特征周期為0.40 s，水平地震影響系數(shù)最大值為αmax=0.24。

2 結(jié)構(gòu)方案比選

本工程位于高烈度地區(qū)，可采用常規(guī)“抗震”結(jié)構(gòu)通過(guò)加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施等方式來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震承載力；也可采用“消能減震”結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置消能構(gòu)件以消耗吸收地震能量達(dá)到減震的目的。

本工程對(duì)框架和框剪2 種結(jié)構(gòu)類型的抗震方案和減震方案進(jìn)行比選，主要對(duì)比方案及結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，阻尼器提供3.5%附加阻尼比時(shí)各方案的主要計(jì)算指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。其中，減震方案的基底剪力較抗震方案減小約20%～30%、結(jié)構(gòu)周期延緩10%～20%，說(shuō)明阻尼器具有良好的耗能作用，減小了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。減震方案的構(gòu)件尺寸和總質(zhì)量更小，綜合造價(jià)減小，建筑使用面積和凈空更大，大大提高了建筑空間利用率。綜合比較，減震方案更優(yōu)。

表1 結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

本工程建筑高度為29.4 m，框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)均可采用，因建筑功能布置原因，本工程框架剪力墻結(jié)構(gòu)的剪力墻只能布置在中間交通核區(qū)域。因建筑高度不大，內(nèi)筒集中布置的剪力墻會(huì)加大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，為提高外圍抗側(cè)剛度，不得不加大外框梁柱尺寸，致使框架部分分擔(dān)的地震力很大，二道防線作用不明顯?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)剛度更大，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量和地震作用也更大，材料造價(jià)更高，4 個(gè)對(duì)比方案中框架減震方案造價(jià)最小，框剪抗震方案造價(jià)最大。綜上，本工程采用框架結(jié)構(gòu)減震方案。

3 減震結(jié)構(gòu)分析

3.1 減震方案確定

結(jié)合本工程的特點(diǎn)，消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬采用框架-黏滯阻尼器（VFD）的結(jié)構(gòu)形式。黏滯阻尼器是速度相關(guān)型阻尼器，工作原理是在地震下利用其內(nèi)部黏性流體材料通過(guò)內(nèi)部孔隙產(chǎn)生阻尼力從而達(dá)到耗能的目的。黏滯阻尼器不提供附加靜剛度，僅提供動(dòng)剛度和阻尼，不影響結(jié)構(gòu)自振周期，可以有效地減小基底剪力和結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)，布置靈活，在醫(yī)院、學(xué)校等多層框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。本工程黏滯阻尼器布置在結(jié)構(gòu)3～7 層，共60 個(gè)，典型樓層的阻尼器平面布置如圖1 所示。

圖1 典型樓層阻尼器布置圖

3.2 多遇地震下減震結(jié)構(gòu)分析

黏滯阻尼器的力學(xué)模型為F=CVα，式中，F(xiàn) 為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；V 為設(shè)計(jì)速度；α 為阻尼指數(shù)。由上式可見(jiàn)，阻尼力與速度呈非線性關(guān)系。因此，采用時(shí)程分析法比反應(yīng)譜法能更準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)。本工程選取3 條地震波進(jìn)行彈性和彈塑性時(shí)程分析，其中2 條天然波、1 條人工波，均滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）[1]5.1.2 條中的選波規(guī)定。

對(duì)比多遇地震作用下抗震方案和減震方案的彈性時(shí)程分析及振型分解反應(yīng)譜法分析結(jié)果如表2 所示，減震方案的振型反應(yīng)譜法設(shè)計(jì)仍考慮3.5%的附加阻尼比。結(jié)果表明，反應(yīng)譜分析法得到的基底剪力最大，3 條地震波減震方案與抗震方案基底剪力的比值在0.68～0.77，減震率達(dá)到20%～30%，與反應(yīng)譜分析法的減震效果相近。計(jì)算得到的X方向和Y 方向最小的附加阻尼比分別為4.52%和4.61%，大于反應(yīng)譜設(shè)計(jì)中取3.5%的附加阻尼比，這說(shuō)明采用反應(yīng)譜分析法考慮3.5%的附加阻尼比模型進(jìn)行多遇地震下的分析設(shè)計(jì)是偏于可靠的。

表2 多遇地震作用下抗震與減震方案結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.3 罕遇地震下減震結(jié)構(gòu)抗震性能復(fù)核

大震彈塑性時(shí)程分析層間位移角結(jié)果見(jiàn)圖2，減震結(jié)構(gòu)X 方向最大位移角為1/121，Y 方向最大位移角為1/118，均小于JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]中彈塑性位移角的限值要求。結(jié)果表明，阻尼器大震下繼續(xù)處于耗能狀態(tài)，其滯回曲線飽滿，大震下阻尼器典型滯回曲線如圖3 所示?？蚣芰呵顟B(tài)為輕微屈服，大部分框架柱保持彈性，沒(méi)有出現(xiàn)屈服；框架梁的塑性鉸出現(xiàn)在兩端，且損傷程度大于框架柱，符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求。

圖2 大震作用下結(jié)構(gòu)X 向、Y 向?qū)娱g位移角

圖3 阻尼器典型滯回曲線

3.4 子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為確保消能子結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮作用，JGJ 297—2013《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》[3]要求與VFD 相連接的消能子結(jié)構(gòu)中梁、柱和墻構(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。

施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)子結(jié)構(gòu)的配筋進(jìn)行加強(qiáng)，提高梁柱配筋率并按實(shí)際配筋率驗(yàn)算罕遇地震作用下各消能子框架的損傷情況。結(jié)果表明，與黏滯阻尼器相連接的框架梁、柱均處于輕微屈服或者彈性，滿足子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)框架、框架剪力墻2 種結(jié)構(gòu)類型的抗震方案及減震方案進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果表明，框架結(jié)構(gòu)減震方案在抗震結(jié)構(gòu)性能、綜合造價(jià)、建筑空間使用率等方面更優(yōu)。黏滯阻尼器可以提供很好的耗能作用，減小了地震響應(yīng)，有效地控制了主體結(jié)構(gòu)的損傷，滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。