張巖壽，劉燕茹，李建軍

(天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，天津 300073)

1 概述

我國處在世界上的兩大地震帶：環(huán)太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶交匯位置，地震多發(fā)頻發(fā)。學(xué)校類建筑結(jié)構(gòu)作為社會(huì)中特殊的公共建筑，直接關(guān)系到學(xué)生群體的切身利益，有著至關(guān)重要的作用。按照GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)中3.0.3條的要求，大學(xué)類建筑為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，允許按照本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其抗震措施和地震作用，在2021年《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》公布并施行之前，除個(gè)別地區(qū)外，我國大部分地區(qū)也基本按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防的要求控制大學(xué)類建筑的設(shè)計(jì)。

2021年7月19日，中華人民共和國國務(wù)院令第744號(hào)明確《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》自2021年9月1日起施行，根據(jù)此條例第十六條中的要求，學(xué)校類建筑應(yīng)當(dāng)按照不低于重點(diǎn)設(shè)防類的要求采取抗震設(shè)防措施，位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校應(yīng)當(dāng)按照國家有關(guān)規(guī)定采用隔震減震等技術(shù)，保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用要求。此法令的出臺(tái)，一方面提高了大學(xué)類建筑的抗震設(shè)防要求，一方面也明確了其采用隔震減震技術(shù)，另外要求設(shè)防烈度下正常使用的要求，更顯著提高了大學(xué)類建筑的抗震性能。

由于地震具有隨機(jī)性，基于傳統(tǒng)抗震理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在大震下不能保證其安全性，在設(shè)防地震或高于設(shè)防地震下，建筑主體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部裝飾及機(jī)電設(shè)備的破壞難以修復(fù)繼續(xù)使用，而對于要求在設(shè)防地震下滿足正常使用的建筑，采用傳統(tǒng)的抗震方案，顯然是不合適的，而合理有效的途徑是結(jié)構(gòu)安裝阻尼裝置，由減震設(shè)備和主體結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)地震作用，以減輕結(jié)構(gòu)的地震損傷。

目前，常用的結(jié)構(gòu)減震產(chǎn)品有屈曲約束支撐(簡稱 BRB)，金屬消能器(簡稱 MD)，摩擦消能器(簡稱 FD)，黏滯消能器(墻)(簡稱 VFD)，黏彈性消能器，調(diào)諧質(zhì)量消能器(簡稱 TMD)等[1]，本文將以某大學(xué)美術(shù)樓為例，分別采用BRB方案和VFD方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過計(jì)算對比，分析兩種方案的優(yōu)劣。

2 工程概況

某大學(xué)美術(shù)樓位于高烈度區(qū)，地震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類場地，特征周期為0.45 s。該建筑地上5層，其中，首層層高5.1 m，2層～5層層高為4.2 m，室內(nèi)外高差為0.3 m，建筑總高度為22.2 m。平面東西方向總長59 m，南北方向總長56 m，主要柱網(wǎng)尺寸為8.4 m×8.7 m，8.1 m×8.7 m。

該建筑為平面呈“L”形，存在平面凹凸不規(guī)則，樓板局部不連續(xù)，平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等三項(xiàng)不規(guī)則，應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，采用符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的計(jì)算模型并計(jì)入樓板局部變形的影響，對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)較大的部位采用局部的內(nèi)力增大系數(shù)。該建筑采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸詳見表1。建筑效果圖見圖1。

表1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

3 減震設(shè)計(jì)方案及對比

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，地震反應(yīng)譜計(jì)算采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件(YJK-A(4.0.0版本))，彈塑性地震分析采用Sausage2021版進(jìn)行，圖2，圖3為相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。

為保證兩者軟件模型的準(zhǔn)確性，分別采用兩種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)基本分析，質(zhì)量對比詳見表2。因BRB會(huì)增加結(jié)構(gòu)剛度[2-3]，影響結(jié)構(gòu)周期，兩軟件周期對比詳見表3，表4。

表2 YJK與Sausage質(zhì)量對比情況

表3 YJK與Sausage模態(tài)分析結(jié)果對比(BRB方案)

表4 YJK與Sausage模態(tài)分析結(jié)果對比(VFD方案)

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及JGJ 297—2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)程相關(guān)規(guī)定，兩軟件模型計(jì)算結(jié)果差別不大，可以進(jìn)行下一步分析。另，選取RH2TG045，TH058TG045(EL_MAYOR-CUCAPAH_4-4-2010_TAMAULIPAS)，TH086TG045(KOBE_JAPAN_1-16-1995_SAKAI)三條地震波分別對兩方案進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。地震動(dòng)反應(yīng)譜曲線如圖4所示，根據(jù)地震反應(yīng)譜曲線計(jì)算，兩計(jì)算模型在結(jié)構(gòu)主要周期點(diǎn)上，地震波平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜相差不超過20%，符合規(guī)范要求[4]。

本工程設(shè)防地震計(jì)算采用彈塑性時(shí)程分析方法，采用雙向地震波輸入進(jìn)行計(jì)算，其主方向地震波加速度峰值為200 cm/s2，次方向地震波加速度峰值為170 cm/s2。

3.2 BRB設(shè)計(jì)方案

本工程采用了40組BRB，采用單斜形布置方式，主要參數(shù)如表5所示，圖5為典型平面BRB布置，圖6為BRB方案的Sausage三維計(jì)算模型圖。

表5 BRB設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 VFD設(shè)計(jì)方案

本工程采用了40組VFD，采用懸臂墻布置方式，主要參數(shù)如表6所示，圖7為典型平面VFD布置，圖8為VFD方案的Sausage三維計(jì)算模型圖。

表6 VFD設(shè)計(jì)參數(shù)

3.4 BRB與VFD方案比較

1)結(jié)構(gòu)樓層位移：在設(shè)防地震下兩方案結(jié)構(gòu)彈塑性樓層位移如圖9，圖10所示。

由圖9,圖10可知，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸均相同的前提下，兩方案均能滿足最初設(shè)定的中震彈塑性位移角限值(1/300)，BRB由于既能提供剛度也能提供附加阻尼比[5-7]，該方案彈塑性層間位移角略小于VFD方案。

2)結(jié)構(gòu)附加阻尼比：兩方案提供的結(jié)構(gòu)附加阻尼比如表7所示。

表7 結(jié)構(gòu)附加阻尼比 %

根據(jù)表7所示，在消能器數(shù)量相同的前提下，VFD方案在設(shè)防地震下提供的結(jié)構(gòu)附加阻尼比顯著大于BRB方案，從構(gòu)件層面分析，VFD典型消能器的滯回曲線飽滿度明顯高于BRB典型消能器(見圖11，圖12)。

在設(shè)防地震下，兩方案結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能所能提供的阻尼比基本相同，但均有一定程度的彈塑性開展。結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的性能水平如圖13，圖14所示，在設(shè)防地震下，兩方案豎向構(gòu)件均無中度或重度損壞，而BRB方案中23.7%的豎向構(gòu)件發(fā)生輕度破壞，相對來講，VFD方案中僅有14.4%發(fā)生輕度破壞，兩方案均能滿足最初設(shè)定的僅部分構(gòu)件發(fā)生輕度破壞的性能目標(biāo)，但VFD方案對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的保護(hù)作用明顯好于BRB方案。

3)樓面加速度對比：在設(shè)防地震下，BRB方案結(jié)構(gòu)樓面最大加速度值約為0.356g，相對應(yīng)的，VFD方案結(jié)構(gòu)樓面最大加速度值約0.307g，兩方案計(jì)算結(jié)果均能滿足最初設(shè)定的0.45g的樓面加速度限值的要求，但VFD方案對樓面加速度的控制明顯好于BRB方案。

4)經(jīng)濟(jì)性對比：兩方案的地上部分的結(jié)構(gòu)鋼筋用量如表8所示，可知，采用VFD方案時(shí)地上部分的結(jié)構(gòu)鋼筋用量略低于BRB方案，考慮到兩種消能器的單價(jià)及連接部件、子結(jié)構(gòu)等的差異，兩種方案的最終工程整體造價(jià)差異不大。

表8 結(jié)構(gòu)鋼筋用量表

4 結(jié)論

1)對于本工程BRB方案及VFD方案均能實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的設(shè)防地震下的性能目標(biāo)。

2)VFD方案在保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，控制結(jié)構(gòu)樓面加速度方面較BRB方案更有優(yōu)勢，但BRB在提高結(jié)構(gòu)剛度，控制結(jié)構(gòu)樓層位移方面更有效。