張志新

(山西五建集團(tuán)有限公司,山西 太原 030013)

0 引言

近些年國內(nèi)外地震越來越頻繁,2023年在2月6日土耳其連續(xù)發(fā)生兩次7級以上地震,之后同月又發(fā)生多次5級以上余震,造成嚴(yán)重的生命危險和財產(chǎn)損失。 因此建筑抗震的安全性及逐步提高結(jié)構(gòu)的抗震性能成為眾多結(jié)構(gòu)設(shè)計人員新的問題,《建設(shè)工程抗震管理條例》明確要求地震重點監(jiān)視防御區(qū)的學(xué)校采用隔震減震等技術(shù),保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時能夠滿足正常使用要求。

本文主要介紹屈曲約束支撐(BRB)和黏滯阻尼器(VFD)的聯(lián)合使用及所達(dá)到的效果。常見的屈曲約束支撐在多遇地震下承受軸向壓力,BRB處于彈性,不發(fā)生屈曲,僅為主體結(jié)構(gòu)提供剛度,但導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)周期減少,地震作用相應(yīng)增大,可能在控制位移方面有顯著效果,但在減震效果上沒有優(yōu)勢。設(shè)防地震和罕遇地震下BRB開始屈服耗能,屈服后有穩(wěn)定的承載力,提供剛度,減少主體結(jié)構(gòu)的變形。

黏滯阻尼器(VFD)是通過為主體結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比,對地震作用進(jìn)行耗能,減少主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。但結(jié)構(gòu)的附加阻尼比不能無限增大,隨著地震作用的增加,附加阻尼比可能會逐漸降低,罕遇地震下結(jié)構(gòu)的變形控制效果一般。

BRB和VFD的聯(lián)合使用可以充分發(fā)揮兩種減震器的優(yōu)點,BRB為提供結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度,VFD提供結(jié)構(gòu)阻尼,減少地震作用的同時能有效控制結(jié)構(gòu)變形,為滿足設(shè)防地震時建筑能夠達(dá)到正常使用要求提供了一種方法。

1 工程概況

本工程位于山西省晉城市陵川縣崇文鎮(zhèn)城南社區(qū)、后川村、嶺常村,地貌為低中山,微地貌為山前緩坡。教學(xué)樓整體為L形建筑,總長140 m,寬度為20 m,依山體坡度進(jìn)行建設(shè),分為3個臺地,每個臺地高差3.9 m。通過設(shè)置抗震縫劃分為3個單體,本次僅介紹其中A區(qū)單體。單體為地上4層,無地下室,層高均為3.9 m,總高度16 m,結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)形式為獨立基礎(chǔ)。該工程的抗震設(shè)防烈度為7度[1-2],設(shè)計基本地震加速度0.10g,設(shè)計地震分組第三組,場地類別Ⅱ類,特征周期0.30 s,抗震設(shè)防類別為乙類,建筑結(jié)構(gòu)安全等級一級(結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1),三維模型見圖1。

2 結(jié)構(gòu)方案前期對比

因該項目位于地震重點監(jiān)視防御區(qū),因此按《建設(shè)工程抗震管理條例》需要采用隔震減震等技術(shù),考慮項目所在地區(qū)為低烈度區(qū),且場地類別較好,特征周期較小,所以考慮采用減震技術(shù)進(jìn)行設(shè)計來滿足設(shè)防地震下正常使用的要求[3],充分優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能,提高該結(jié)構(gòu)地震下的安全性。表1為采用VFD和BRB+VFD兩種減震方案的初步計算情況,圖2為VFD方案,圖3為BRB+VFD方案。

表1 VFD和BRB+VFD兩種減震方案參數(shù)表

其中黏滯阻尼器(VFD)方案在結(jié)構(gòu)地上2層—4層分別在X,Y方向布置三組VFD,阻尼器型號為VFD250,阻尼系數(shù)C為30 kN/(mm/s),阻尼指數(shù)為0.25,設(shè)計阻尼力為222 kN,設(shè)計位移21 mm。VFD+BRB方案在上述基礎(chǔ)上增設(shè)BRB,在地上2層—4層Y向布置,2層—3層每層三組,4層為兩組。芯材采用Q235B,屈服力為500 kN,屈服位移為3.7 mm,屈服后的剛度比為0.02。

通過初步計算分析,VFD方案在Y向?qū)娱g位移角不滿足1/400的要求,同時層間位移比也超限較多,扭轉(zhuǎn)較為突出,同時出現(xiàn)多處梁柱配筋超筋的現(xiàn)象,說明Y向側(cè)向剛度不足,如果繼續(xù)增加梁柱截面,不僅不經(jīng)濟(jì),而且影響建筑使用功能,從室內(nèi)看也不美觀。而通過在Y向設(shè)置BRB后,雖然周期減少8%,但層間位移角和層間位移比都有較大的改善,配筋也基本在合理范圍內(nèi),各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求,綜合考慮單純設(shè)置VFD并不合適,該項目按BRB+VFD方案進(jìn)行設(shè)計。

3 主要設(shè)計內(nèi)容及計算分析

3.1 確定山地建筑地震影響系數(shù)增大系數(shù)

該項目場地穩(wěn)定性等級為基本穩(wěn)定,但建筑的東側(cè)有高大邊坡,最大高差11 m,建筑離突出臺地邊緣的距離為16 m,參見圖4。因此需要根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]4.1.8當(dāng)需要在強(qiáng)風(fēng)化巖石的陡坡和邊坡邊緣不利地段建造乙類建筑時,除保證其在地震作用下的穩(wěn)定性外,其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。增大系數(shù)計算方法按附錄進(jìn)行計算。

其中,H=11 m;L1=16 m,L=11.7 m。根據(jù)4.1.8條文說明進(jìn)行計算。

L1/H=1.45<2.5,附加調(diào)整系數(shù)ξ取值為1.0。

根據(jù)4.1.8條文中表2計算局部突出地形地震影響系數(shù)的增大幅度,其中局部突出臺地邊緣的側(cè)向平均坡降H/L=0.94,由于該場地主要為巖質(zhì)地層,查表得局部突出地形地震動參數(shù)的增大幅度α=0.2。

根據(jù)條文4.1.8(2)公式計算放大系數(shù)λ=1+1×0.2=1.2。

由此可見,高突地形距離基準(zhǔn)面的高度愈大,高處的反應(yīng)愈強(qiáng)烈,另外邊坡的傾斜角度越大,即邊坡愈陡,其頂部的放大效應(yīng)也會相應(yīng)加大,建筑設(shè)計前期因綜合考慮場地因素,合理進(jìn)行總圖規(guī)劃,避免出現(xiàn)高大邊坡陡坎的情況,既可以降低地震作用,節(jié)省主體結(jié)構(gòu)造價,也能使場地使用的舒適度及安全性能提高。

3.2 結(jié)構(gòu)計算分析

該工程在設(shè)計時按照《建設(shè)工程抗震管理條例》及導(dǎo)則(征求意見稿)進(jìn)行減震目標(biāo)的確定,在設(shè)防地震和罕遇地震作用下的減震目標(biāo)[5-6],以及與消能減震器相連的構(gòu)件和節(jié)點的性能目標(biāo)及其設(shè)計方法如表2所示。

表2 與消能減震器相連的構(gòu)件和節(jié)點的性能目標(biāo)及其設(shè)計方法

具體設(shè)計步驟為:1)確定結(jié)構(gòu)的附加阻尼比,確定消能減震器參數(shù)和數(shù)量,以及消能減震器的安裝位置及型式。2)計算附設(shè)減震器的減震結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。3)進(jìn)行彈性時程分析,復(fù)核附加阻尼比。4)罕遇地震作用下,進(jìn)行彈塑性位移驗算,承載力不足的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,最后完成與阻尼器相連的連接構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。

結(jié)構(gòu)計算時反應(yīng)譜分析主要以YJK進(jìn)行分析,SAP2000進(jìn)行反應(yīng)譜分析(補(bǔ)充復(fù)核模型),彈塑性時程分析主要以SAP2000進(jìn)行分析。

3.2.1 模型對比

采用SAP2000分析軟件對框架模型進(jìn)行分析, 對比YJK非減震結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角后差異很小,模型驗證通過(見圖5),結(jié)果如表3—表5所示。

表3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

表4 結(jié)構(gòu)周期對比(前三階)

表5 結(jié)構(gòu)地震剪力對比

3.2.2 地震波的選取

選取了實際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線作為分析BRB+VFD減震效果的地震波,考慮邊坡放大系數(shù)1.2的影響,選取的時候地震加速度峰值均相應(yīng)進(jìn)行了放大。七條地震波的反應(yīng)譜曲線如圖6所示,地震波信息如圖7所示,七條地震波的加速度峰值如表6所示。非減震結(jié)構(gòu)底部剪力對比表見表7,時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比表見表8。

表6 七條地震波的加速度峰值

表7 非減震結(jié)構(gòu)底部剪力對比表

表8 時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對比表

結(jié)果顯示,在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上地震波時程平均影響系數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜影響系數(shù)相差不大于20%,所選地震波的基底剪力平均值大于反應(yīng)譜計算結(jié)果的80%,滿足抗規(guī)第5.1.2條的要求。

3.2.3 阻尼器參數(shù)與減震器的模擬

1)黏滯阻尼器的模擬[7]:SAP2000模型中黏滯阻尼器采用非線性單元Damper模擬(見圖8)。阻尼系數(shù)C為30 kN/(mm/s),阻尼指數(shù)為0.25,設(shè)計阻尼力為222 kN,設(shè)計位移21 mm,分析方法為FNA快速非線性法,7度(0.1g)多遇地震加速度峰值420 mm/s2,設(shè)防地震加速度峰值1 200 mm/s2。

2)BRB的模擬:SAP模型中BRB采用非線性單元Plastic(Wen)模擬(見圖9)。

3.2.4 多遇及設(shè)防地震彈性時程分析

綜合表9,圖10,表10可知,減震結(jié)構(gòu)在中震作用下,結(jié)構(gòu)層間位移角為:X向最大為1/625,Y向為1/702;均滿足規(guī)范要求,且滿足原定減震目標(biāo)。同時,通過減震前后的層間位移、層間位移角的對比結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)在布置阻尼器后,層間位移降低,保護(hù)了結(jié)構(gòu)主體安全。

表9 樓層剪力對比表 kN

3.2.5 多遇及設(shè)防地震B(yǎng)RB出力及位移

分析結(jié)果得知,所有BRB在多遇地震下的最大出力為157 kN小于BRB的屈服力,最大位移1.2 mm均小于屈服位移,BRB滿足“小震彈性”的設(shè)計目標(biāo)。設(shè)防地震下的最大出力為484 kN,但有兩處最大位移4.0 mm大于屈服位移3.7,其余位移均小于屈服位移,因此絕大部分BRB在中震下的受力均小于BRB的屈服力,位移均小于屈服位移。

表10 樓層層間位移及層間位移角對比表

3.2.6 附加阻尼比的計算

附加阻尼比的計算可按GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《抗規(guī)》)的第12.3.4條進(jìn)行計算,設(shè)防地震作用下,黏滯阻尼器滯回耗能,為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比,七條地震波在X向平均結(jié)構(gòu)附加阻尼比為3.77%,Y向平均結(jié)構(gòu)附加阻尼比為3.53%。各工況計算結(jié)果如表11,表12所示,均超出期望的附加阻尼比3%。

表11 X方向結(jié)構(gòu)附加阻尼比計算(設(shè)防地震)

表12 Y方向結(jié)構(gòu)附加阻尼比計算(設(shè)防地震)

3.2.7 罕遇地震彈塑性時程分析

1)通過對罕遇地震作用下的彈塑性位移驗算,對承載力不足的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,最后完成與阻尼器相連的連接構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。經(jīng)過計算結(jié)構(gòu)層間位移角滿足最大層間位移角限值1/100的要求。計算結(jié)果見表13。

表13 減震結(jié)構(gòu)層間位移角

2)減震器在大震下的出力及位移:分析得出各黏滯阻尼器最大阻尼力222 kN<極限阻尼力232,最大變形21 mm<極限變形32 mm,均滿足設(shè)計的黏滯阻尼器參數(shù)要求。各BRB出力平均值最大520 kN,變形最大12 mm,均進(jìn)入屈服階段。

3)結(jié)構(gòu)出鉸情況:在罕遇地震作用下,允許結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件進(jìn)入塑性,結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸情況、出鉸順序有關(guān)。圖11,圖12列出了T1號地震波作用下的出鉸情況,來說明結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性情況。由圖可知,罕遇地震作用下框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸,而后柱子出現(xiàn)柱鉸,但只有部分構(gòu)件進(jìn)入塑性,出現(xiàn)塑性鉸結(jié)構(gòu)總體滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求,實現(xiàn)了“大震不倒”的目標(biāo)。

4 結(jié)語

1)通過對結(jié)構(gòu)的整體分析,聯(lián)合設(shè)置屈曲約束支撐(BRB)和黏滯阻尼器(VFD)[8],可以通過黏滯阻尼器耗散地震能量,減少結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),通過BRB提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度,控制結(jié)構(gòu)位移,基本可以實現(xiàn)設(shè)防地震結(jié)構(gòu)主體彈性,BRB保持彈性。2)通過性能化設(shè)計后,VFD+BRB聯(lián)合減震能實現(xiàn)各階段不同的性能目標(biāo),保證建筑正常使用。3)低烈度區(qū)下的乙類建筑可以通過聯(lián)合減震來達(dá)到設(shè)防地震下正常使用的要求,同時保證大震不倒塌的要求,提供一種值得參考的設(shè)計方法。