消能減震技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

雷才波

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司昆明分院，昆明 650200）

1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目中綜合樓平面尺寸為54.55 m×14.35 m，建筑面積為1 438.27 m2，建筑層數(shù)為3層，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用柱下條形基礎(chǔ)，建筑高度為11.925 m，抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，0.2g，第三組。場(chǎng)地土的類型屬中軟場(chǎng)地土，擬建場(chǎng)地屬Ⅱ類建筑場(chǎng)地。

2 常規(guī)計(jì)算

綜合樓混凝土強(qiáng)度等級(jí)除墊層外均為C30，首層柱斷面為600 mm×600 mm，梁最大斷面為400 mm×600 mm，各層樓板厚為100～120 mm。計(jì)算振型數(shù)為9。由于綜合樓為乙類建筑，框架抗震等級(jí)及構(gòu)造措施按一級(jí)計(jì)算。

由于綜合樓首層層高較高，且位于高烈度區(qū)，屬于乙類建筑，所以采用加大柱截面的方法提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。這種方法在很多情況下是有效的，但也存在以下問(wèn)題：

1）結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面過(guò)大、配筋過(guò)多，材料花費(fèi)較多，工程造價(jià)大幅度提高，而且使得建筑使用功能受到限制，使用空間變小；

2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、配筋增大后，結(jié)構(gòu)剛度將大幅度增加，結(jié)構(gòu)在地震中吸收的地震能量也將大幅度增加；

3）地震能量將主要由結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形來(lái)耗散，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在大震中損壞嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)損傷模式仍然難以控制，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全不利；

4）兩個(gè)方向尺寸差異較大，導(dǎo)致兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特征相差較大，Y方向位移角富余量較小；

5）偶然偏心規(guī)定水平力作用下，Y方向位移比過(guò)大。

3 減震設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：根據(jù)既定設(shè)計(jì)目標(biāo)確定減震設(shè)計(jì)中的阻尼比，以便選擇合適的阻尼參數(shù)，確定阻尼器的型式與具體的安裝部位。利用有限元計(jì)算分析軟件對(duì)附加了阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震計(jì)算分析，配筋計(jì)算模型采用時(shí)程均值進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)采用兩種不同軟件的包絡(luò)設(shè)計(jì)值作為配筋計(jì)算結(jié)果。對(duì)于結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的計(jì)算分析內(nèi)容主要以位移計(jì)算分析為主，同時(shí)對(duì)超過(guò)承載能力極限狀態(tài)的構(gòu)建進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.2 減震設(shè)計(jì)目標(biāo)

在結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)中，確定合理的減震目標(biāo)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，這是由于減震目標(biāo)的設(shè)立關(guān)系到結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性的均衡，是實(shí)現(xiàn)減震設(shè)計(jì)性價(jià)比的最根本因素。在確定減震設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，既要達(dá)到常規(guī)設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)也要盡量減少消能元件的使用量。

3.3 減震設(shè)計(jì)過(guò)程及方法

3.3.1 結(jié)構(gòu)建模

根據(jù)建筑條件，按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法用YJK（或PKPM）軟件建模計(jì)算，保證模型各項(xiàng)指標(biāo)（周期比、位移角、位移比、剪重比等）滿足規(guī)范要求。將已建好的YJK（或PKPM）模型導(dǎo)入ETABS中，使用膜單元模擬樓板，將ETABS和YJK（或PKPM）建立的非減震結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角進(jìn)行對(duì)比。本工程兩者結(jié)果差值1.551%～3.546%，兩者計(jì)算結(jié)果差異很小，因此，兩種軟件計(jì)算模型基本上是一致的。該步驟僅用于驗(yàn)證兩種軟件計(jì)算差異很小，可以互通使用。

3.3.2 確定附加阻尼比

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比應(yīng)為結(jié)構(gòu)阻尼比和消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比的總和。

采用YJK（或PKPM）軟件試算的方式，首先估算出當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到目標(biāo)位移值時(shí)，所需的總阻尼比，再用總阻尼比減去結(jié)構(gòu)阻尼比，就是結(jié)構(gòu)所需的附加阻尼比，采用ETABS軟件進(jìn)行附加阻尼比的校核計(jì)算。本工程中采用YJK軟件試算，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到減震目標(biāo)位移值時(shí)，所需阻尼比為7%，所以附加阻尼比2%。

3.3.3 確定阻尼器的參數(shù)和數(shù)量及安裝位置和型式

由所得的附加阻尼比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及建筑平面布置，假定阻尼器布置的位置，使用連接單元準(zhǔn)確模擬阻尼器代入ETABS模型中試算，不斷嘗試調(diào)節(jié)連接單元參數(shù)、阻尼器的位置或數(shù)量使計(jì)算結(jié)果滿足附加阻尼比的要求，最終根據(jù)滿足要求的連接單元的參數(shù)選擇相應(yīng)的阻尼器產(chǎn)品，得出結(jié)構(gòu)所需阻尼器的阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)，同時(shí)確定阻尼器的數(shù)量。

阻尼器的安裝位置：阻尼器在樓層平面內(nèi)的安裝布置應(yīng)遵循“均勻、分散、對(duì)稱”的根本原則，盡量降低地震時(shí)的應(yīng)力集中，并均衡結(jié)構(gòu)剛度。阻尼器的豎向布置則應(yīng)以非減震設(shè)計(jì)模型計(jì)算所得的最大層間位移角數(shù)據(jù)為依據(jù)，將阻尼器安裝在位移角偏大的位置。之后再對(duì)安裝了一個(gè)阻尼器的模型展開(kāi)有限元分析計(jì)算得到最大層間位移角位置，再次安裝阻尼器，如此循環(huán)下去，最終完成阻尼器的豎向布置。但需要注意的是阻尼器的安裝不能在某一層過(guò)于集中，也應(yīng)盡量豎向均勻安裝。同時(shí)阻尼器應(yīng)優(yōu)先選用懸臂墻式黏滯阻尼器以免對(duì)建筑使用功能造成影響。

3.3.4 建立有限元模型，選取地震波，進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析

在ETABS中，使用連接單元準(zhǔn)確模擬黏滯阻尼器，選取符合規(guī)范要求的5條天然波和2條人工波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震下彈性時(shí)程分析。所得內(nèi)力結(jié)果與未采用減震技術(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，該部分為采用減震技術(shù)最核心內(nèi)容，對(duì)比內(nèi)容及結(jié)果詳見(jiàn)后文計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

3.3.5 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性分析

使用SAP2000進(jìn)行減震結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析，分析主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的變形特征及阻尼器在大震下所發(fā)揮的特性。在SAP2000中，使用連接單元damper模擬黏滯阻尼器，主體結(jié)構(gòu)框架梁、柱均定義塑性鉸。彈塑性時(shí)程分析過(guò)程中，在彈性時(shí)程分析的基礎(chǔ)上選擇3條地震波進(jìn)行計(jì)算分析，最終結(jié)果取3條地震波作用下的包絡(luò)值。大震作用下X方向減震結(jié)構(gòu)層間位移角1/260，未采用減震結(jié)構(gòu)為1/155，Y方向減震結(jié)構(gòu)層間位移角為1/250，未采用減震結(jié)構(gòu)為1/184。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

本文將未采用減震技術(shù)模型計(jì)算結(jié)果和采用減震技術(shù)計(jì)算主要結(jié)果進(jìn)行比較。

4.1 結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比

采用減震技術(shù)，結(jié)構(gòu)自振周期變小，如表1所示。

表1 兩種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)自振周期對(duì)比

4.2 結(jié)構(gòu)位移角對(duì)比

由表2可知：采用減震技術(shù)后，各樓層位移角提高較明顯，為Y方向提供較大抗側(cè)剛度，使兩個(gè)方向位移角值更接近，更符合規(guī)范要求的兩個(gè)方向動(dòng)力特性宜相近的要求。在不改變梁柱斷面的情況下使結(jié)構(gòu)有了更多富余剛度。

表2 兩種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)位移角

4.3 結(jié)構(gòu)位移比對(duì)比

由表3可知，建筑平面尺寸為54.55 m×14.35 m，所以X向剛度較大，Y向相對(duì)較弱，所以采用減震技術(shù)時(shí)對(duì)Y向位移比改善較明顯。

表3 兩種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)位移比

4.4 結(jié)構(gòu)底部剪力、剪重比對(duì)比

由表4可知，采用減震技術(shù)后，兩個(gè)主軸方向各層剪力變小7.61%～10.32%。所以所需抵抗地震剪力的鋼筋相應(yīng)減少。

表4 兩種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)底部剪力、剪重比

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：（1）采用減震技術(shù)能有效地減小層間位移角，增加安全儲(chǔ)備；（2）設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要,在位移較大的位置布置阻尼器，使結(jié)構(gòu)位移比減??；（3）減震技術(shù)在不增加梁柱斷面的情況下，減小含鋼量，使經(jīng)濟(jì)性更好；（4）減震技術(shù)可以有效地減小底部地震剪力，保證地震作用下結(jié)構(gòu)的安全。

綜上所述，對(duì)高地震烈度地區(qū)的建筑工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)重要的、大型的建筑可以優(yōu)先考慮采用消能減震技術(shù)，不僅符合當(dāng)今社會(huì)人們對(duì)建筑工程越來(lái)越高的抗震設(shè)防要求，也滿足人們對(duì)建筑使用功能、使用年限、經(jīng)濟(jì)性等的訴求，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。