某幼兒園結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計過程分析

秦奇

摘 要：近年來國家和地方建設(shè)管理部門對減隔震技術(shù)提出了要求，一些高烈度地區(qū)醫(yī)院、學(xué)校等重點設(shè)防類、特殊設(shè)防類結(jié)構(gòu)推薦或強制要求采用減隔震技術(shù)。本文以某8度區(qū)幼兒園為例，對結(jié)構(gòu)專業(yè)消能減震設(shè)計的過程進行簡要分析介紹。

關(guān)鍵詞：消能減震；防屈曲支撐

1 工程概況

本工程建筑面積約3000m2，地上三層，無地下室，結(jié)構(gòu)高度11.85m，建筑功能為幼兒園，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地方政府相關(guān)政策性文件規(guī)定本工程必須采用減隔震技術(shù)。

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，抗震設(shè)防類別按照重點設(shè)防類設(shè)計?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計地震分組為第一組。建筑場地類別為Ⅲ類，設(shè)計特征周期0.45s。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.40kN/m2，地面粗糙度類別為C類，50年重現(xiàn)期基本雪壓0.35kN/m2。

結(jié)構(gòu)分析軟件為PKPM 2012.06版（中國建筑科學(xué)研究院）。

2 減隔震技術(shù)簡要介紹

減隔震技術(shù)分為隔震與消能減震兩個內(nèi)容，兩者各有其特點和適用性。隔震體系通過延長結(jié)構(gòu)的自振周期以減少結(jié)構(gòu)的水平地震作用，適用于低層和多層建筑及硬土場地。消能減震技術(shù)適用范圍更廣，結(jié)構(gòu)類型和高度以及場地狀況都不受限制，通過設(shè)置消能器增加結(jié)構(gòu)阻尼來減少結(jié)構(gòu)的地震作用。結(jié)合經(jīng)濟性及設(shè)計施工便利性的目標(biāo)考慮，本工程采用消能減震技術(shù)?，F(xiàn)在工程中常用的消能器主要有兩種類型：位移相關(guān)型和速度相關(guān)型。本工程采用防屈曲支撐（BRB），也叫屈曲約束支撐，屬于速度型消能器。普通支撐受壓會屈曲，屈曲后剛度及承載力會驟降，由于毫無預(yù)兆，這種脆性破壞需要避免。眾所周知，鋼材抗拉和抗壓設(shè)計值是相同的，由于屈曲的原因，鋼材受拉比受壓工況更能充分發(fā)揮材料的承載能力。防屈曲支撐的構(gòu)造是在鋼支撐外部設(shè)套管，防止內(nèi)核鋼支撐在受壓時屈曲。內(nèi)核鋼支撐與外部套管可以相對滑動，工作時僅內(nèi)部鋼支撐受力。通過這樣的設(shè)計，防屈曲支撐在拉力和壓力作用下受力均能達到理想的強度屈服。由于防屈曲支撐無需考慮穩(wěn)定性問題，故在作用力相同的情況下防屈曲支撐的截面較普通的鋼支撐截面要小，結(jié)構(gòu)的總抗側(cè)剛度減小，周期變長，地震作用自然也隨之減小，帶來的是梁柱構(gòu)件的截面普遍減小。避免了普通鋼支撐承載力不夠加大截面，剛度增大，地震作用加強導(dǎo)致鋼支撐承載力不滿足的循環(huán)。

3 設(shè)計過程分析

防屈曲支撐（BRB）產(chǎn)品有很多種。約束單元可為鋼管混凝土、鋼筋混凝土，也可為鋼構(gòu)件。按照使用功能分類可分為阻尼型、耗能型和承載型。阻尼型防屈曲支撐小震階段開始屈服耗能；耗能型防屈曲支撐小震彈性，中震大震開始屈服耗能；承載型防屈曲支撐大震仍保持彈性。本工程選用的是耗能型防屈曲支撐，約束單元采用鋼構(gòu)件。

在采用防屈曲支撐的情況下小震彈性且梁柱構(gòu)件截面較不采用消能減震的情況下要小很多；中震作用下鋼筋混凝土梁柱不屈服，僅防屈曲支撐作為耗能構(gòu)件屈服；大震作用下由于防屈曲支撐消耗大量地震能量，鋼筋混凝土梁柱輕微損壞或者不損壞，震后僅需更換損壞的防屈曲支撐，要比大面積修理混凝土梁柱便利許多。通過靜力彈塑性分析可以驗證。

在多遇地震作用下對于消能器的計算分析方法主要有兩種。一種是根據(jù)阻尼器的耗能作用，將其耗能作用按照附加阻尼比的辦法考慮。這種方法在建模的時候無需將消能器建入模型，而只是提高結(jié)構(gòu)的阻尼比。另一種方法是將阻尼器建入到模型當(dāng)中，無需考慮附加阻尼比的問題，本工程采用的是第二種辦法。防屈曲支撐按照普通鋼支撐在整體計算模型中建入，計算得出底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%，形成鋼支撐-混凝土框架體系，彈性狀態(tài)結(jié)構(gòu)阻尼比取0.045。

鋼支撐-混凝土框架的抗震設(shè)計可參照GB 20011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》附錄G的相關(guān)要求，具體條款根據(jù)實際工程狀況確定適用條件。按照規(guī)范建議，抗震設(shè)防烈度為6～8度且房屋高度超過規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最大適用高度時，可采用鋼支撐-混凝土框架組成抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)。本工程并未超高，故《抗規(guī)》附錄G有些條款并不適用。例如規(guī)范該章節(jié)對抗震等級提高的規(guī)定即適用于結(jié)構(gòu)超過規(guī)范框架結(jié)構(gòu)高度限值的情況，本工程無需考慮。由于鋼支撐-混凝土框架介于框架結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)之間，故按照兩者最不利情況確定抗震等級是偏安全的，據(jù)此原則本工程取框架抗震等級一級。

本工程南面布置了三個教室，并且平面上逐個收進成為階梯形平面布置，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。經(jīng)試算在規(guī)定水平力作用下的樓層位移比已超過規(guī)范的要求。為保證扭轉(zhuǎn)規(guī)則性符合規(guī)范要求需要結(jié)構(gòu)具有足夠的抗扭剛度。通過增加梁柱截面的方法能夠滿足位移比的要求，但構(gòu)件截面過大配筋困難，同時建筑效果也不理想。結(jié)合建筑布局和結(jié)構(gòu)剛度需求，在框架的兩個主軸方向適當(dāng)位置每層布置了四處防屈曲支撐。根據(jù)柱距的不同，采用人字型布置或單斜撐布置，斜撐與水平面夾角為42°～55°，滿足《抗規(guī)》要求的35°～55°之間。有條件的情況下鋼支撐宜上下連續(xù)布置，本工程有一處受建筑方案影響無法連續(xù)布置，在鄰跨延續(xù)布置。通過對防屈曲支撐的截面設(shè)計選擇，保證其多遇地震作用下保持彈性，此舉能夠保證在多遇地震作用下支撐提供給結(jié)構(gòu)足夠的抗扭剛度。通過試算，最終確定防屈曲支撐等效截面為16900mm2和14400 mm2兩種規(guī)格，計算樓層間位移比滿足要求。防屈曲支撐截面較小，廠家在產(chǎn)品設(shè)計過程中可根據(jù)設(shè)計單位提供的支撐截面剛度確定理想的形式，將其埋設(shè)在建筑填充墻中，從而使防屈曲支撐的布置具有很高的靈活性。有的消能器在多余地震作用下便開始耗能，故小震計算時就需要考慮附加阻尼比，本工程防屈曲支撐在小震作用下不屈服，故不考慮附加阻尼比，其計算方法與未采用消能減震的鋼支撐-混凝土框架一致。

根據(jù)GB 50011-2010《建造抗震設(shè)計規(guī)范》要求，鋼支撐-混凝土框架的層間位移角限值按框架和框架-抗震墻內(nèi)插。本工程底層鋼支撐框架分配的地震傾覆力矩或地震剪力的最大比例為62%，按照1/550和1/800內(nèi)插取層間位移角限值為1/682。本工程多遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/778<1/682，滿足規(guī)范要求。由于防屈曲支撐的特殊構(gòu)造可以不用考慮穩(wěn)定性，故在程序計算結(jié)果中只需要考慮支撐的強度滿足要求即可。

在設(shè)防地震作用下防屈曲支撐發(fā)生屈服。設(shè)防地震和罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析采用PKPM軟件的PUSH模塊。罕遇地震作用下，本工程的機制是防屈曲支撐率先屈服耗能，然后梁、柱進入耗能狀態(tài)。經(jīng)過分析計算，罕遇地震下最大層間位移角為1/253，滿足規(guī)范要求。

鋼支撐（BRB）-混凝土框架結(jié)構(gòu)形式介于框架結(jié)構(gòu)與框剪結(jié)構(gòu)之間，本工程參考框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，按照多道防線的概念設(shè)計。支撐是第一道防線，混凝土框架作為第二道防線需進行加強。在豎向工況作用下，取豎向荷載工況去掉支撐計算與有支撐模型取配筋包絡(luò)。地震工況下梁柱配筋適當(dāng)放大。與支撐相連的框架柱加強箍筋及縱筋。

GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第8.1.6條條文說明對防屈曲支撐的構(gòu)件截面計算做出了規(guī)定，N≤0.9Nysc/ηy，Nysc=ηyfayAl 。且對防屈曲支撐提出了性能要求。按照此要求設(shè)計能保障設(shè)防地震及罕遇地震作用下支撐先于鋼筋混凝土框架屈服并且支撐具有足夠的延性以消耗地震能量從而保證主體框架的安全。

在確定專業(yè)的生產(chǎn)廠家后應(yīng)考慮經(jīng)濟安全及便利性選擇適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品方案進行深化設(shè)計。設(shè)計人員要對防屈曲支撐的檢測、維護等提出必要的要求。根據(jù)最終的產(chǎn)品和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置對防屈曲支撐與混凝土構(gòu)件的連接節(jié)點進行詳盡設(shè)計，保證節(jié)點強度滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

高烈度、不規(guī)則結(jié)構(gòu)采用消能減震技術(shù)能夠極大緩解地震作用的不良效應(yīng)，有效減小了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面積和配筋，既環(huán)保經(jīng)濟，同時也能保證建筑效果。隨著國家及地方相關(guān)政策的推行，消能減震產(chǎn)品的豐富，結(jié)構(gòu)采用消能減震的成本將會進一步降低，其優(yōu)越性將日益凸顯，其應(yīng)用將更廣泛。本文通過簡要介紹具體工程的消能減震基本原理及設(shè)計過程，給實際工作中遇到此類問題的結(jié)構(gòu)設(shè)計師以參考。

參考文獻：

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