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        地震區(qū)某學(xué)校教學(xué)樓消能減震加固研究

        2014-07-31 06:42:10王曉雷
        山西建筑 2014年19期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)建筑

        王曉雷

        (山東電力建設(shè)第三工程公司,山東青島 266100)

        1 工程概況

        本文采用的建筑結(jié)構(gòu)為都江堰市某學(xué)校建筑,六層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),設(shè)計于2007年,建成后經(jīng)歷了汶川8.0級地震的考驗,主體結(jié)構(gòu)完好,僅部分分隔空心墻遭到嚴重損壞。建筑總高度為23.2 m,工程原設(shè)計為7度抗震設(shè)防,三級框架,Ⅱ類場地,設(shè)計地震分組第一組,設(shè)計基本地震加速度值0.10g,反應(yīng)譜特征周期 0.35 s。

        本文加固設(shè)計按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[1]執(zhí)行,取8度抗震設(shè)防,Ⅱ類場地,設(shè)計地震分組第二組,反應(yīng)譜特征周期0.4 s,設(shè)計基本地震加速度值為0.20g。采用消能減震加固方案進行設(shè)計,選擇合適的阻尼器,考慮到該建筑為學(xué)校建筑,為提高其抗震安全性,加固后建筑在8度地震作用下的層間相對位移角應(yīng)滿足小震[1/900]、中震[1/300]、大震[1/100]的性能要求。

        2 粘滯阻尼減震的基本原理

        阻尼是結(jié)構(gòu)振動衰減的根本原因,結(jié)構(gòu)中的真實阻尼特性極其復(fù)雜,通常不太可能確定結(jié)構(gòu)中阻尼的確切性質(zhì)。在結(jié)構(gòu)分析中通常認為結(jié)構(gòu)阻尼為線性粘滯阻尼,即認為阻尼力和速度成正比[2]。雖然還有其他的阻尼理論,但因為結(jié)構(gòu)中的阻尼比較小,采用粘滯阻尼假設(shè)已能滿足設(shè)計要求。結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器后所附加的阻尼和結(jié)構(gòu)本身的阻尼是一致的,這是粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)便于分析的原因。

        由于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比僅約為5%,普通鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比僅約為2%[3],因此,地震發(fā)生時,結(jié)構(gòu)振動一般都處于放大效應(yīng)狀態(tài),調(diào)整阻尼或結(jié)構(gòu)頻率是降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)的兩條途徑。減震就是通過增大阻尼和改變結(jié)構(gòu)的自振特性來減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)。

        3 結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值建模

        為了研究該復(fù)雜高層建筑的動力特性,本文利用有限元軟件SAP2000建立了該建筑上部結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料參數(shù)如表1所示。圖1為SAP2000有限元數(shù)值計算模型,總結(jié)點個數(shù)為472個,總單元個數(shù)為1 007個,其中框架單元個數(shù)為724個,殼單元個數(shù)為283。X軸對應(yīng)實際結(jié)構(gòu)的東西水平向,Y軸對應(yīng)南北水平向,Z軸表示豎向。

        表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料參數(shù)

        圖1 結(jié)構(gòu)三維有限元模型

        4 結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析

        本次分析按照規(guī)范要求選取2條天然波記錄和1條人工時程記錄,將選定的三條加速度時程分別按規(guī)范要求,峰值調(diào)整到小震、中震和大震規(guī)定要求,時程圖見圖2。時程分析時,分別將三條波的小震、中震和大震加速度時程分別沿X,Y方向輸入,計算結(jié)構(gòu)的層間位移角。

        圖2 三條地震動加速度時程

        圖3 東西方向?qū)娱g位移角加固對比圖

        加固計算結(jié)果見表2和表3,其中灰色底色標(biāo)注數(shù)值為未加固前超規(guī)范允許值的部分樓層。由于篇幅關(guān)系,此處僅給出了東西方向?qū)娱g位移角的加固對比圖,圖3,圖4為加固后結(jié)構(gòu)阻尼器設(shè)置示意圖。

        從表2,表3以及圖3可以看出,結(jié)構(gòu)在減震加固之前,東西方向和南北方向很多樓層的層間位移角均不滿足規(guī)范要求限值,經(jīng)過本文的加固計算后,所有樓層的層間位移角均滿足了規(guī)范要求,說明本文的加固方案是可行的。

        圖4 結(jié)構(gòu)阻尼器設(shè)置示意圖

        本文加固使用的是粘彈性阻尼器,阻尼器的設(shè)置數(shù)量為33個,設(shè)置位置見圖4,設(shè)置參數(shù)為:最大行程:±200 mm;阻尼力:1 000 kN;阻尼系數(shù):500 s/mm;阻尼指數(shù)為0.2。

        表2 東西方向?qū)娱g位移角加固計算結(jié)果

        表3 南北方向?qū)娱g位移角加固計算結(jié)果

        5 結(jié)語

        本文以5·12地震后重災(zāi)區(qū)一學(xué)校教學(xué)樓為研究對象,利用消能減震技術(shù),對消能減震加固方案進行設(shè)計,通過加固分析,結(jié)構(gòu)的減震控制效果很明顯,符合規(guī)范的要求:加固后建筑在8度地震作用下的層間相對位移角滿足小震[1/900]、中震[1/300]、大震[1/100]的性能要求。本文工作為建筑結(jié)構(gòu)減震加固工作提供了依據(jù)和建議,可為今后同類型的減震設(shè)計提供借鑒和參考。

        [1]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

        [2]Clough R W,Penzien J.Dynamics of Structures[M].New York:Mc Graw-Hill,1993.

        [3]GB 50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

        [4]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

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