某學校減震設(shè)計及彈性時程分析

張兵

（中國建筑科學研究院有限公司，北京100013）

1 工程概況

某學校教學樓項目建筑面積12 170.32m2，為重點設(shè)防類（乙類），采用減震設(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，地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為一級。

2 基礎(chǔ)設(shè)計

本工程采用減震設(shè)計的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。基礎(chǔ)采用預應力混凝土管樁，成樁直徑500mm，樁端持力層為黏土層，極限端阻力標準值為2200kPa。經(jīng)分析計算，地基承載力及沉降嚴格按相關(guān)規(guī)范要求計算，結(jié)果顯示，基礎(chǔ)沉降變形滿足規(guī)范要求。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

教學樓上部結(jié)構(gòu)7層，1層地下室，建筑屋面高度27.90m，平面不規(guī)則，劃分為1個抗震單元，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部增設(shè)剪切型金屬抗震阻尼器，采用減震技術(shù)。上部框架抗震等級為一級，采取比一級更有效的抗震構(gòu)造措施。上部結(jié)構(gòu)用SAP2000進行多遇地震下的復核與彈性時程分析。

4 減震設(shè)計

4.1 設(shè)計原則

本工程主要遵循以下設(shè)計原則：

1）本工程減震設(shè)計的要求為：在多遇地震的作用下，其建筑結(jié)構(gòu)須完全保持彈性，且非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無明顯損壞；在罕遇地震的作用下，其消能減震器系統(tǒng)的功能仍能正常發(fā)揮[1]。

2）本工程減震設(shè)計主要依據(jù)預期的水平向地震力和位移控制要求及耗能等參數(shù)，估算出減震結(jié)構(gòu)所需附加剛度和附加阻尼比，據(jù)此選擇合適的消能減震器型號，并配置在適當?shù)奈恢谩?/p>

3）阻尼器通常配置在層間相對位移或相對速度較大的樓層，同時采用合理的連接形式增加消能減震器兩端的相對變形或相對速度，提高消能減震器的減震效率。

4）消能子結(jié)構(gòu)梁、柱和墻截面的設(shè)計應考慮消能阻尼器在極限位移或極限速度下的阻尼力作用[2]。

5）對含消能阻尼器的結(jié)構(gòu)進行整體分析，包含各個不同地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性分析及彈塑性分析。

6）消能阻尼器與主結(jié)構(gòu)之間的連接部件需適當設(shè)計，使其在罕遇地震的作用下仍維持彈性或不屈狀態(tài)[3]。

4.2 設(shè)計方案

消能減震結(jié)構(gòu)主要是通過設(shè)置消能減震裝置控制結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的預期變形，從而達到不同等級的抗震設(shè)防目標。結(jié)合建筑平面設(shè)置金屬阻尼器，連接形式為墻式，樓層平面內(nèi)的布置遵循“均勻、分散、對稱”的原則，如圖1所示。

圖1 阻尼器典型布置

4.3 減震目標和性能目標

本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的減震目標以及與懸臂墻型剪切阻尼器相連構(gòu)件和節(jié)點的性能目標及其設(shè)計方法如表1所示。

表1 不同構(gòu)件的性能目標

4.4 減震結(jié)構(gòu)彈性時程分析

本工程是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，使用大型有限元分析軟件SAP2000建立減震結(jié)構(gòu)模型，并進行計算與分析，如圖2所示。SAP2000軟件具有方便靈活的建模、模擬功能和強大的線性和非線性分析功能。在SAP2000中，使用連接單元plastic[Wen]模擬懸臂墻型剪切阻尼器。本結(jié)構(gòu)模型依據(jù)YJK建模得到。

選取了實際5條強震記錄（T1～T5）和2條人工模擬加速度時程曲線（R1，R2），并且在統(tǒng)計意義上相符。其加速度時程曲線如圖3所示。

圖2 分析模型

圖3 7條地震波的加速度時程曲線

圖中，橫坐標為時間，s；縱坐標為地震波的加速度，m/s2。

分析所得的結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力曲線如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力曲線

結(jié)構(gòu)顯示，時程分析樓層剪力平均值均小于反應譜分析的樓層剪力，按反應譜設(shè)計的樓層剪力進行設(shè)計即可。

5 結(jié)語

本教學樓的結(jié)構(gòu)減震設(shè)計中采用了金屬阻尼器耗能減震裝置。結(jié)構(gòu)的彈性時程分析結(jié)果表明，金屬阻尼器發(fā)揮了良好的消能減震作用，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了顯著提高。經(jīng)計算表明，樓層剪力平均值均小于反應譜分析的樓層剪力，按反應譜設(shè)計的樓層剪力進行設(shè)計滿足要求。