臨沂學(xué)校宿舍樓減震設(shè)計(jì)

鄭 敏,諶 文

(1.湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院工商管理學(xué)院,武漢 430070;2.武漢建筑設(shè)計(jì)院,武漢 430072)

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，以前那些需要借助國外軟件計(jì)算分析的問題，因?yàn)閲鴥?nèi)外結(jié)構(gòu)規(guī)范的差別以及軟件操作習(xí)慣的不同，存在著難上手和軟件操作繁瑣麻煩等等缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)理論及相關(guān)的結(jié)構(gòu)軟件應(yīng)用遠(yuǎn)未完善,比如大震動(dòng)力彈塑性分析計(jì)算效率、消能減震分析計(jì)算效率等問題。現(xiàn)在這些存在的問題正在得到改善，比如建研院PKPM系列軟件簡化了消能減震的分析計(jì)算過程，大大地推動(dòng)消能減震技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用。與相應(yīng)的非消能減震結(jié)構(gòu)相比，消能減震結(jié)構(gòu)可大幅減少地震反應(yīng)，這樣既節(jié)省了造價(jià)，又增加了結(jié)構(gòu)抗震安全性。2021年我國新頒布的《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》指出：位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場(chǎng)所、廣播電視等建筑應(yīng)當(dāng)按照國家有關(guān)規(guī)定采用隔震減震等技術(shù)，保證本區(qū)域發(fā)生設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用要求。

1 工程概況

該工程為山東臨沂市區(qū)某學(xué)校宿舍樓，建筑總高度18.0 m，上部結(jié)構(gòu)5層，無地下室。抗震設(shè)防烈度為8度，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，設(shè)計(jì)地震分組第二組，Ⅱ類場(chǎng)地峰值加速度為0.20g。根據(jù)當(dāng)?shù)乜拐鹩嘘P(guān)規(guī)定，該工程抗震設(shè)防應(yīng)在國家地震動(dòng)參數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果上提高一檔考慮。故峰值加速度應(yīng)調(diào)整為0.30g。學(xué)校宿舍樓地震作用應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度(8度0.30g)進(jìn)行計(jì)算和分析，按提高一度(9度)采取抗震構(gòu)造措施。該工程框架抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震構(gòu)造措施為一級(jí)。

2 消能減震設(shè)計(jì)

2.1 減震阻尼器的選擇

該工程所在地山東臨沂市屬于地震高烈度區(qū)、水平地震作用大，承重構(gòu)件材料利用效率較低。減震結(jié)構(gòu)是指對(duì)于作用于建筑結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)外力，利用設(shè)置在結(jié)構(gòu)內(nèi)的減震阻尼器的衰減能量吸收能力控制結(jié)構(gòu)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)方法，來達(dá)到預(yù)期防震減震要求。

常見的減震裝置可分為位移型阻尼器和速度型阻尼器兩大類。對(duì)多層框架結(jié)構(gòu)，選擇金屬剪切型阻尼器經(jīng)濟(jì)效果最好，VFD阻尼器價(jià)格高，且容易出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，漏油后需更換。受房屋建筑平面及設(shè)備條件限制，該工程擬采用VFD阻尼器，這種阻尼器耗能效率高，且不增加結(jié)構(gòu)剛度，不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的自振周期。常見的VFD阻尼器見圖1。該工程采用的阻尼器主要力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 學(xué)校宿舍樓黏滯阻尼器力學(xué)參數(shù)

2.2 減震目標(biāo)確定方法

當(dāng)以控制結(jié)構(gòu)位移為主要目標(biāo)時(shí)，可以通過試算的方式初步確定附加阻尼比需求。假定非減震結(jié)構(gòu)的阻尼比為ζ0，小震下的最大層間位移角為1/Δ0，減震結(jié)構(gòu)的目標(biāo)位移為1/Δ1，假定總阻尼比為ζ1時(shí)能夠滿足位移要求，則在SATWE中輸入結(jié)構(gòu)阻尼比為ζ1，計(jì)算后得到最大層間位移角為1/Δ′1，若1/Δ′1和1/Δ1不夠接近，則調(diào)整ζ1直至1/Δ′1和1/Δ1足夠接近。

當(dāng)以控制結(jié)構(gòu)基底剪力為主要目標(biāo)時(shí)，可以利用規(guī)范反應(yīng)譜的阻尼調(diào)整系數(shù)公式進(jìn)行估算。根據(jù)《抗規(guī)》5.1.5條，對(duì)某一周期T

(1)

當(dāng)Tg

(2)

(3)

(4)

對(duì)于一般砼框架，η2=1，ζ=0.05，γ=0.9，就可推出減震后與減震前地震影響系數(shù)比值β

(5)

由于一般多層框架結(jié)構(gòu)多屬于自振周期介于Tg和5Tg之間，且該工程Tg=0.40 s，T=0.71 s，非減震結(jié)構(gòu)最大層間位移角約為1/462，可由β=462/550=0.840，利用上面式(2)～式(5)，計(jì)算減震結(jié)構(gòu)目標(biāo)阻尼比ζ，再算出附加阻尼比Δζ=ζ-0.05。故可推出該工程的目標(biāo)阻尼比ζ=0.10，附加阻尼比Δζ= 0.05。

2.3 消能減震阻尼器參數(shù)與布置

VFD阻尼器的阻尼力、阻尼系數(shù)、阻尼指數(shù)和活塞運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系可用下面公式表示

Fd=CV|V|α

(6)

式中，F(xiàn)d代表阻尼力，kN；CV為阻尼系數(shù)，kN/(mm/s)；V代表阻尼器活塞相對(duì)阻尼器外殼的運(yùn)動(dòng)速度，mm/s；α為阻尼指數(shù)。

在多遇地震和風(fēng)荷載作用下，減震構(gòu)件效率越高，α越小，減震效果越好；在中大震作用下，減震構(gòu)件效率越低，α越大，對(duì)于減震構(gòu)件子結(jié)構(gòu)部分就越容易滿足大震不屈服要求。α建議取值0.2～0.5，當(dāng)α越小，產(chǎn)品性能及耐久性更加難以保障，且減震構(gòu)件制作及加工要求將大大提高。該工程阻尼器參數(shù)取值見表1。

由抗規(guī)12.3.4條，給出的附加有效阻尼比計(jì)算公式(7)估算所需消能器的數(shù)量

(7)

Ws=(1/2)∑Fiui

(8)

式中，εa代表消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；Wcj為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下Δuj往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；Ws代表設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能；Fi為質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；ui為質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)于水平地震標(biāo)準(zhǔn)值的位移。

當(dāng)確定目標(biāo)附加阻尼比后，即可以得到每層的受力(有害)層間位移。這樣可以由預(yù)計(jì)布置消能器樓層的有害層間位移，估計(jì)每個(gè)消能器的耗能，這里要考慮到有害層間位移和消能器兩端相對(duì)位移的關(guān)系。注意，當(dāng)從SATWE計(jì)算結(jié)果中提取相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，不應(yīng)采用公式(8)計(jì)算結(jié)構(gòu)整體應(yīng)變能。

減震構(gòu)件要提高效率，按上面公式(6)，就應(yīng)設(shè)法增大阻尼器的V值。阻尼器最常見布置型式為直接連接型：斜撐型、墻型、剪力桿型。增幅機(jī)構(gòu)型是由兩根分別鉸接的斜撐與一根阻尼器組合而成的減震形式，這種形式利用杠桿原理可賦予阻尼器2～3倍的層間位移量，這種類型相當(dāng)于增加V值。所以這類的減震效率高，但實(shí)際工程很少采用，因?yàn)槠湓靸r(jià)太高，對(duì)施工難度要求高。常見的人字型消能支撐、單向消能支撐都屬于斜撐型。單向支撐的減震效率比人字撐的低些，但支撐總用鋼量與人字撐接近，且連接簡單，施工較方便。實(shí)際方案的選擇應(yīng)根據(jù)甲方、施工方等各方面要求來合理選擇，減震構(gòu)件的支撐型式對(duì)造價(jià)的影響其實(shí)不大。

減震構(gòu)件平面位置可根據(jù)建筑需要靈活選擇，但應(yīng)盡量“對(duì)稱、均勻”，宜使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近，且每層布置數(shù)量宜為偶數(shù)。在豎向布置上，減震構(gòu)件當(dāng)只是在某層設(shè)置較多時(shí)，該層的層間位移雖然可以降低，但有時(shí)會(huì)使其它層的層間位移增加。因此宜使結(jié)構(gòu)沿高度方向剛度均勻。同時(shí)阻尼器的布置，應(yīng)便于檢查、維護(hù)和替換。該工程沿結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向和各層總共設(shè)置32套VFD阻尼器，其型號(hào)、數(shù)量、位置按照規(guī)范提出的原則，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后確定。該工程VFD阻尼器標(biāo)準(zhǔn)層布置見圖2。

3 結(jié) 論

類似工程的對(duì)比表明，山東臨沂這類所謂高烈度抗震設(shè)防地區(qū)的減震結(jié)構(gòu)布置，可先通過論文公式(1)～式(5)來定量確定減震結(jié)構(gòu)目標(biāo)阻尼比，再以最大層間位移角滿足規(guī)范限值為條件，遵循阻尼器的合理布置原則，通過計(jì)算分析，最后確定VFD阻尼器參數(shù)以及支撐形式。后續(xù)將進(jìn)行該減震結(jié)構(gòu)的小震彈性時(shí)程分析、大震動(dòng)力彈塑性分析計(jì)算。