布置軟鋼阻尼器結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)研究
——某中學(xué)學(xué)生宿舍為例

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(zhǔn)確預(yù)報(bào)的自然災(zāi)害，歷次大地震都導(dǎo)致大量的房屋破壞，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能也就提出了更高的要求。如何進(jìn)一步提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，滿足人民對(duì)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(dāng)結(jié)構(gòu)遭受地震作用時(shí)，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(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞，保護(hù)建筑主體結(jié)構(gòu)的安全，消能器相當(dāng)于布置在結(jié)構(gòu)上的“保險(xiǎn)絲”。

盡管結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)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(shí)每一棟建筑的動(dòng)力特性及其所處建設(shè)場地也不同，導(dǎo)致每一棟建筑減震設(shè)計(jì)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(xué)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(diǎn)。本文以某中學(xué)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(jìn)行時(shí)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(xué)學(xué)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(jì)地震分組: 第三組，特征周期值0.45s，學(xué)生宿舍屬于乙類建筑，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防。

考慮到項(xiàng)目為中學(xué)學(xué)生宿舍，建筑的使用者為弱勢群體—學(xué)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(duì)項(xiàng)目采用減震技術(shù)，以進(jìn)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(qiáng)度低、延性好等優(yōu)點(diǎn)，通過合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在地震作用時(shí)，軟鋼阻尼器能夠先于主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài)，利用軟鋼屈服后的累積塑性變形，來達(dá)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(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，考慮工程投資，綜合比較，本工程擬采用軟鋼阻尼器作為項(xiàng)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(duì)建筑使用功能有會(huì)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(shí)結(jié)構(gòu)變形較大的位置。通過反復(fù)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(gè)主軸方向各布置4 個(gè)，合計(jì)24 個(gè)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(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以盈建科軟件與PKPM 軟件為依據(jù)的現(xiàn)狀，本項(xiàng)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(jì)滿足相關(guān)的國家與地方相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。由于PKPM 軟件沒有模擬阻尼器的單元，且不能進(jìn)行罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)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(shí)程分析選取2 條實(shí)際地震加速度時(shí)程和1 條人工模擬加速度時(shí)程。這三條地震波的有效持續(xù)時(shí)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(shí)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(shí)程擬合得到加速度反應(yīng)譜，計(jì)算得到原模型的前三階周期所對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)，并與規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算的原模型的前三階周期所對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。

表1 原結(jié)構(gòu)底部剪力對(duì)比

從表1 與表2 的結(jié)果可以看出，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)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(xiàng)目的減震時(shí)程分析要求。

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

4 結(jié)構(gòu)抗震的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)模型進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)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(yàn)，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(biāo)。最大層間位移角較規(guī)范要求值減少了52.3%，達(dá)到預(yù)期的減震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)存在較高的安全儲(chǔ)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(duì)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(dān)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(dān)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)模型進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析。

罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)的層間位移角計(jì)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(dá)到了“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。最大層間位移角較規(guī)范要求提高了80.2%，達(dá)到預(yù)期的減震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)存在較高的安全儲(chǔ)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(jì)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(shí)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(duì)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(duì)減震模型進(jìn)行多遇地震作用下彈性時(shí)程分析與罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析分析，研究最終得到了本工程軟鋼阻尼器的力學(xué)參數(shù)，如表8 所示。

表8 軟鋼阻尼器力學(xué)參數(shù)

5 結(jié)論

通過對(duì)布置軟鋼阻尼器的某中學(xué)學(xué)生宿舍樓進(jìn)行減震分析研究，得出了布置阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)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(duì)主體結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)作用。研究也得到了適合本工程減震的軟鋼阻尼器力學(xué)參數(shù)，為軟鋼阻尼器加工生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。