王偉WANG Wei；潘月輝PAN Yue-hui

（①安徽海螺水泥股份有限公司，蕪湖 241000；②浙江浙工大檢測技術(shù)有限公司，杭州 310000）

0 引言

地震是目前還不能短期準確預(yù)報的自然災(zāi)害，歷次大地震都導致大量的房屋破壞，造成了大量的經(jīng)濟損失和人員傷亡。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能也就提出了更高的要求。如何進一步提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，滿足人民對建筑安全性日益增長的需求，值得工程界思考。近些年來，減震技術(shù)正逐步成為工程界提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能的新技術(shù)。減震即是在結(jié)構(gòu)合理位置上布置一定數(shù)量的消能器，當結(jié)構(gòu)遭受地震作用時，消能器耗能，先于主體結(jié)構(gòu)破壞，從而有效的減輕地震對建筑結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞，保護建筑主體結(jié)構(gòu)的安全，消能器相當于布置在結(jié)構(gòu)上的“保險絲”。

盡管結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計流程基本相同，但是由于不同種類消能器的消能原理不同，同時每一棟建筑的動力特性及其所處建設(shè)場地也不同，導致每一棟建筑減震設(shè)計結(jié)果存在差異，在阻尼器先于主體結(jié)構(gòu)屈服耗能的要求下，減震分析得到消能器的力學參數(shù)僅僅適用于該建筑，這就是結(jié)構(gòu)減震分析的難點。本文以某中學宿舍樓工程為例，布置軟鋼阻尼器，依據(jù)規(guī)范要求，采用有限元軟件進行時程分析，研究布置軟鋼阻尼器宿舍樓工程的抗震性能，闡述減震消能技術(shù)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

安徽某中學學生宿舍地上五層建筑，無地下室。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架，建筑高度19.95m。建筑總面積為1832m2?？拐鹪O(shè)防烈度為7 度（0.1g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。設(shè)計地震分組: 第三組，特征周期值0.45s，學生宿舍屬于乙類建筑，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防。

考慮到項目為中學學生宿舍，建筑的使用者為弱勢群體—學生，需要提高地震作用下的安全性，經(jīng)過與建設(shè)方協(xié)商，擬對項目采用減震技術(shù)，以進一步提高工程地震安全性。

2 阻尼器的選擇與布置

在眾多減震產(chǎn)品中，軟鋼阻尼器采用軟鋼制作耗能部件，充分利用軟鋼剪切屈服強度低、延性好等優(yōu)點，通過合理的產(chǎn)品設(shè)計，在地震作用時，軟鋼阻尼器能夠先于主體結(jié)構(gòu)進入屈服狀態(tài)，利用軟鋼屈服后的累積塑性變形，來達到消耗輸入結(jié)構(gòu)地震能量的目的。軟鋼阻尼器[1-2]可以提供一定的抗側(cè)剛度，具有延性比大、耗能較大以及經(jīng)濟性好等優(yōu)點，考慮工程投資，綜合比較，本工程擬采用軟鋼阻尼器作為項目的消能減震器。

軟鋼阻尼器采用鋼筋混凝土懸臂墻（尺寸：長1500mm×寬200mm）與主框架梁相連，這種連接方式阻尼器耗能效率最高且可靠，但是對建筑使用功能有會一定的影響。經(jīng)過多專業(yè)協(xié)商，并考慮軟鋼阻尼器應(yīng)盡可能布置在地震作用時結(jié)構(gòu)變形較大的位置。通過反復試算，最終確定在樓層的一～三層布置軟鋼阻尼器，阻尼器布置在結(jié)構(gòu)的端部，該部分地震作用下變形較大。沿結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向各布置4 個，合計24 個軟鋼阻尼器。

3 建模與地震波選取

3.1 模型的建立

考慮到當前結(jié)構(gòu)設(shè)計是以盈建科軟件與PKPM 軟件為依據(jù)的現(xiàn)狀，本項目采用PKPM 軟件建立模型，初步分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足相關(guān)的國家與地方相應(yīng)的標準要求。由于PKPM 軟件沒有模擬阻尼器的單元，且不能進行罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析，研究采用大型有限元Madis Gen 完成宿舍樓的減震分析。使用軟件Madis Gen 分別建立原結(jié)構(gòu)模型與減震結(jié)構(gòu)模型，其中減震結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。減震結(jié)構(gòu)模型中，梁柱均采用框架梁單元模擬；利用Madis Gen 中非線性彈性支承模擬軟鋼阻尼器，在軟件中需要指定阻尼器的剛度、屈服力、屈服位移；鋼筋混凝土懸臂墻采用平面應(yīng)力單元模擬。

圖1 Madis Gen 減震有限元模型

3.2 地震波的選取

時程分析選取2 條實際地震加速度時程和1 條人工模擬加速度時程。這三條地震波的有效持續(xù)時間大于結(jié)構(gòu)基本周期的10 倍。采用振型分解反應(yīng)譜與多遇地震下彈性時程分析，得到原結(jié)構(gòu)的底部剪力如表1 所示。三條地震加速度時程擬合得到加速度反應(yīng)譜，計算得到原模型的前三階周期所對應(yīng)的地震影響系數(shù)，并與規(guī)范反應(yīng)譜計算的原模型的前三階周期所對應(yīng)的地震影響系數(shù)進行對比，如表2 所示。

表1 原結(jié)構(gòu)底部剪力對比

從表1 與表2 的結(jié)果可以看出，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]（GB50011-2010）5.1.2 款的規(guī)定。因此，三條地震波滿足本項目的減震時程分析要求。

表2 三條時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比表

4 結(jié)構(gòu)抗震的時程分析

地震作用下結(jié)構(gòu)的分析，通常采用兩階段的分析方法，即①多遇地震作用下，考慮結(jié)構(gòu)彈性的時程分析，即保證“小震不壞”；②罕遇地震作用下，考慮結(jié)構(gòu)發(fā)生部分彈塑性的時程分析，即保證“大震不倒”。兩階段的分析結(jié)果均應(yīng)滿足規(guī)范[3]相應(yīng)的規(guī)定。

4.1 多遇地震作用下的彈性時程分析

僅考慮軟鋼阻尼器的非線性，采用快速非線性分析（FNA）法，輸入如前所述的三條地震波，對模型進行多遇地震作用下的彈性時程分析，地震波的峰值加速度取35cm/s2。依據(jù)類似工程經(jīng)驗，初步選取軟鋼阻尼器屈服力為200kN，屈服位移為1mm，屈服后剛度比為0.02。減震結(jié)構(gòu)的層間位移角如表3 所示。

從表3 可以看出，增加軟鋼阻尼器后，結(jié)構(gòu)的層間位移角最大為1/1152，小于1/550，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)滿足“小震不壞”的設(shè)防目標。最大層間位移角較規(guī)范要求值減少了52.3%，達到預(yù)期的減震性能目標，結(jié)構(gòu)存在較高的安全儲備，具備抵御較大地震的能力。

表3 減震結(jié)構(gòu)層間位移角（rad）

減震結(jié)構(gòu)軟鋼阻尼器出力與樓層層間屈服剪力比值，如表4 所示。

由表4 可以看出：對于布置軟鋼阻尼器的樓層，軟鋼阻尼器出力與樓層層間屈服剪力比值略大于20%，表明軟鋼阻尼器承擔了部分樓層剪力，但是軟鋼阻尼器出力之和又小于樓層層間屈服剪力的60%，也表明軟鋼阻尼器承擔的剪力沒有過大，滿足規(guī)范要求[4]。

表4 減震結(jié)構(gòu)阻尼器出力占樓層剪力比值表

另外多遇地震作用下，軟鋼阻尼器的位移基本小于1mm，表明：在多遇地震作用下，軟鋼阻尼器沒有屈服耗能，僅為結(jié)構(gòu)提供側(cè)移剛度，未給結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比。

4.2 罕遇地震作用下的彈塑性時程分析

罕遇地震作用需要考慮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性，因此研究對沒有布置軟鋼阻尼器的主框架梁柱設(shè)置Midas 自帶的非彈性集中鉸，梁柱實配主要受力鋼筋，形成罕遇地震作用下的分析模型。分別單向輸入三條地震波，地震波的峰值加速度調(diào)整為220cm/s2，對模型進行罕遇地震下的彈塑性時程分析。

罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)的層間位移角計算結(jié)果如表5 所示。

表5 減震結(jié)構(gòu)層間位移角

罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)的X、Y 向彈塑性最大層間位移角分別為1/264、1/253，均小于1/50，滿足規(guī)范的限值要求，達到了“大震不倒”的設(shè)防目標。最大層間位移角較規(guī)范要求提高了80.2%，達到預(yù)期的減震性能目標，結(jié)構(gòu)存在較高的安全儲備，有抵御較大地震的能力。

罕遇地震作用下，原結(jié)構(gòu)的層間位移角計算結(jié)果如表6 所示。原結(jié)構(gòu)的最大層間位移角與減震結(jié)構(gòu)的最大層間位移及二者的比值如表7 所示。

表6 原結(jié)構(gòu)層間位移角

表7 原結(jié)構(gòu)、減震結(jié)構(gòu)最大層間位移角及比值

注：比值=減震結(jié)構(gòu)位移角/原結(jié)構(gòu)位移角×100%.

從表6 可以看出，罕遇地震作用下，原結(jié)構(gòu)的X、Y 向彈塑性最大層間位移角分別為1/171、1/175，均小于1/50，也滿足規(guī)范的限值要求。從表7 可以看出，減震結(jié)構(gòu)大部分樓層的層間位移小于原結(jié)構(gòu)相應(yīng)樓層的層間位移。這表明了軟鋼阻尼器減震的效果較為明顯。

圖2 為罕遇地震作用下，布置在X 方向與Y 方向軟鋼阻尼器的典型滯回曲線。從圖2 可以看出，軟鋼阻尼器滯回曲線飽滿，包裹的面積較大，表明軟鋼阻尼器耗能充分，同時這也說明主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性有保障。另外罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)出鉸圖也表明，結(jié)構(gòu)首先梁出現(xiàn)塑性鉸，然后柱出現(xiàn)塑性鉸。對于布置阻尼器的框架梁柱部分，梁柱均未出現(xiàn)塑性鉸。

圖2 軟鋼阻尼器滯回曲線

通過對減震模型進行多遇地震作用下彈性時程分析與罕遇地震作用下的彈塑性時程分析分析，研究最終得到了本工程軟鋼阻尼器的力學參數(shù)，如表8 所示。

表8 軟鋼阻尼器力學參數(shù)

5 結(jié)論

通過對布置軟鋼阻尼器的某中學學生宿舍樓進行減震分析研究，得出了布置阻尼器的結(jié)構(gòu)進行減震設(shè)計要點，同時減震分析的結(jié)果表明：布置軟鋼阻尼器后，減震結(jié)構(gòu)的層間位移角小于原結(jié)構(gòu)的層間位移角，且滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到較大提高，結(jié)構(gòu)有一定的安全冗余量。罕遇地震作用下，軟鋼阻尼器耗能充分，先于主體結(jié)構(gòu)屈服耗能，對主體結(jié)構(gòu)起到了保護作用。研究也得到了適合本工程減震的軟鋼阻尼器力學參數(shù)，為軟鋼阻尼器加工生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。