某混凝土框架結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計分析研究

鐘建海，金 陽

（浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310030）

地震是板塊擠壓或火山噴發(fā)引起地殼在短時間內(nèi)釋放大量能量的過程，并會隨著不規(guī)律的振動產(chǎn)生地震波［1］。在一年的時間內(nèi)，平均全球發(fā)生大大小小地震500萬次左右，意味著平均每6秒就會發(fā)生一次地震；中國絕大部分省份都發(fā)生過地震震級在6級以上的強烈地震［2］。

消能減震技術(shù)是在建筑主體位移較大的部位設(shè)置阻尼器，由阻尼器連接結(jié)構(gòu)主體的兩端。地震作用下阻尼器兩端產(chǎn)生相對運動，導(dǎo)致阻尼器發(fā)生相對加速度、速度及位移。地震動的能量轉(zhuǎn)化為阻尼器的塑性應(yīng)變能或熱能，消耗部分建筑承受的地震能量，達到減震的效果。消能部件是用來連接阻尼器和結(jié)構(gòu)主體，例如支撐、剪力墻、連接件等構(gòu)件，消能裝置一般安裝在結(jié)構(gòu)變形較大處，如層間、空間、節(jié)點、連接縫等部位。在小風(fēng)作用下或多遇地震時，消能裝置和結(jié)構(gòu)均需處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)變形、位移等不能超過規(guī)范要求的正常使用極限狀態(tài)；在強風(fēng)作用下或遭遇設(shè)防地震和罕遇地震時，結(jié)構(gòu)位移較大，使得消能減震裝置提供附加阻尼，吸收和耗散地震和風(fēng)振產(chǎn)生的能量，進一步減少或消除建筑結(jié)構(gòu)的塑性變形，保護結(jié)構(gòu)重要部位發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

1 工程概況

該建筑的基本信息如下：

1）3層（局部存在突出屋面樓電梯間）；

2）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為11.44 m；

3）抗震設(shè)防烈度：8度（0.2 g）；

4）場地類別：Ⅱ類；

5）設(shè)計地震分組：第三組；

6）場地特征周期：0.45 s；

7）框架抗震等級：二級；

8）結(jié)構(gòu)固有阻尼比：5%；

9）多遇地震下Tg=0.45 s，地震影響系數(shù)αmax=0.176，時程最大加速度Amax=77 cm／s2（因建筑處于坡地，考慮地震作用放大1.1倍）；

10）罕遇地震下Tg=0.50 s，地震影響系數(shù)αmax=0.99，時程最大加速度Amax=440 cm／s2（因建筑處于坡地，考慮地震作用放大1.1倍）；

11）抗震設(shè)防分類：丙類。

建筑模型圖見圖1。

圖1 建筑模型

根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)實際情況，結(jié)合實際建筑允許的支撐布置位置來布置粘滯消能支撐。

阻尼器主要力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 粘滯阻尼器力學(xué)參數(shù)

2 地震動選擇

為了在計算中較精確模擬消能器的非線性性質(zhì)，一般都是進行地震時程分析，即按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）》［3］要求，該減震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)計算應(yīng)采用動力時程分析法，且輸入時程應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用不少于2組實際強震記錄和1組擬合設(shè)計反應(yīng)譜的人工模擬加速度時程，最后計算評價指標應(yīng)取這3條時程響應(yīng)的最大計算結(jié)果或5組實際強震記錄和兩組人工時程的平均時程響應(yīng)平均值。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）》5.1.2條規(guī)定：采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2／3，多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。從工程角度考慮，這樣可以保證時程分析結(jié)果滿足最低安全要求。但計算結(jié)果也不能太大，每條地震波輸入計算不大于135%，平均不大于120%。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）》對5.1.2條的條文說明，所謂“在統(tǒng)計意義上相符”指的是，多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%。

根據(jù)抗規(guī)要求，本工程實際選取了5條天然地震波和2條人工波，地震波反應(yīng)譜曲線見圖2?；准袅Ρ冉Y(jié)果見表2、表3。

表2 7條地震波時程分析與振型分解反應(yīng)譜法計算X向得到的底部剪力對比 kN

表3 7條地震波時程分析與振型分解反應(yīng)譜法計算Y向得到的底部剪力對比 kN

圖2 地震動反應(yīng)譜

3 減震效果分析

為后續(xù)描述簡單，本報告約定將未設(shè)置消能支撐的房屋主體結(jié)構(gòu)記為“ST0”；將設(shè)置消能支撐之后的房屋結(jié)構(gòu)記為“ST1”。

3.1 多遇地震

在8度（0.2 g）小震作用下，對ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)分別輸入7條地震時程，相關(guān)計算結(jié)果見表4～11。層間位移角計算結(jié)果表明，在8度（0.2 g）小震作用下，ST1結(jié)構(gòu)層間位移角滿足《云南省建筑消能減震設(shè)計與審查技術(shù)導(dǎo)則》關(guān)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間位移角限值要求，且明顯小于ST0結(jié)構(gòu)；層間剪力計算結(jié)果表明，ST1結(jié)構(gòu)各減震樓層在8度（0.2 g）小震時程作用下的層間剪力相比于原結(jié)構(gòu)均有減小?？梢?，消能支撐在多遇地震作用下已承擔(dān)了部分地震作用，起到了較好的減震效果。

表4 原結(jié)構(gòu)ST0在8度（0.2 g）X向小震作用下7條地震波計算層間位移角結(jié)果 kN

表5 原結(jié)構(gòu)ST0在8度（0.2g）Y向小震作用下7條地震波計算層間位移角結(jié)果 kN

表6 減震結(jié)構(gòu)ST1在8度（0.2 g）X向小震作用下7條地震波計算層間位移角結(jié)果 kN

表7 減震結(jié)構(gòu)ST1在8度（0.2 g）Y向小震作用下7條地震波計算層間位移角結(jié)果 kN

表8 原結(jié)構(gòu)ST0在8度（0.2 g）X向小震作用下7條地震波計算層間剪力結(jié)果 kN

表9 原結(jié)構(gòu)ST0在8度（0.2 g）Y向小震作用下7條地震波計算層間剪力結(jié)果 kN

表10 減震結(jié)構(gòu)ST1在8度（0.2 g）X向小震作用下7條地震波計算層間剪力結(jié)果 kN

表11 減震結(jié)構(gòu)ST1在8度（0.2 g）Y向小震作用下7條地震波計算層間剪力結(jié)果 kN

3.2 罕遇地震

對減震結(jié)構(gòu)和非減震結(jié)構(gòu)進行罕遇地震彈塑性時程分析，結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角統(tǒng)計結(jié)果見表12～15。由計算結(jié)果可知，ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角明顯小于ST0結(jié)構(gòu)。

表12 X向罕遇地震作用下ST0結(jié)構(gòu)層間位移角

表13 Y向罕遇地震作用下ST0結(jié)構(gòu)層間位移角

表14 X向罕遇地震作用下ST1結(jié)構(gòu)層間位移角

表15 Y向罕遇地震作用下ST1結(jié)構(gòu)層間位移角

4 結(jié) 語

本文使用ETABS軟件分別對ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)在8度（0.2 g）多遇地震作用下進行時程分析，并對結(jié)構(gòu)反應(yīng)進行了對比；采用PERFORM-3D軟件對ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)進行了對比分析。具體結(jié)論如下：

1）在多遇地震作用下，ST1結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)相較于ST0結(jié)構(gòu)已有一定的降低，消能支撐在多遇地震作用下已承擔(dān)了部分地震作用，起到了較好的減震效果。

2）通過罕遇地震下的對比分析，增設(shè)消能支撐后，較大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷，顯著改善了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能；ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角明顯小于ST0結(jié)構(gòu)，且滿足1／100的限值要求，滿足“大震不倒”的要求。