軟鋼阻尼器在某幼兒園減震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張芳芳,趙振東

(1.山西大同大學(xué),大同 037003;2.大同市建筑設(shè)計(jì)研究院,大同 037001)

中小學(xué)校舍安全直接關(guān)系廣大師生的生命安全,關(guān)系社會(huì)和諧穩(wěn)定。我國(guó)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)進(jìn)一步提高了教育建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),特別加強(qiáng)對(duì)未成年人在地震等突發(fā)事件中的保護(hù)。教育建筑中,幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)用房及學(xué)生宿舍和食堂,抗震設(shè)防類別應(yīng)不低于重點(diǎn)設(shè)防類。2009年4月1日,國(guó)務(wù)院決定正式啟動(dòng)全國(guó)中小學(xué)校舍安全工程,確保將學(xué)校建成最安全、家長(zhǎng)最放心的地方。山西省是我國(guó)地震災(zāi)害頻度高、強(qiáng)度大、范圍廣、災(zāi)害重的省份之一[1]。全省77%的國(guó)土面積屬地震高烈度區(qū),全省共有11個(gè)地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)和5個(gè)地震值得注意地區(qū),70%的產(chǎn)值與人口來(lái)自于強(qiáng)震活動(dòng)區(qū),100%的建筑需要抗震設(shè)防。山西省積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù),對(duì)于抗震設(shè)防烈度8度區(qū)、地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)學(xué)校和幼兒園的新建教學(xué)用房、學(xué)生宿舍、食堂以及醫(yī)院的新建醫(yī)療建筑,必須采用減隔震技術(shù)[2]。近年來(lái),減隔震技術(shù)在山西省得到廣泛應(yīng)用,并取得了一定成效。

1 工程概況

山西省某幼兒園綜合樓,結(jié)構(gòu)形式為四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),由兩道伸縮縫將結(jié)構(gòu)分為三段,取左側(cè)伸縮縫以左部分進(jìn)行分析。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度,基本地震加速度0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類別為II類,框架抗震等級(jí)為一級(jí)。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí),建筑抗震設(shè)防類別為乙類。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震能力,提高建筑物的可靠性和安全性,采用消能減震附加體系,以降低主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力,使主體結(jié)構(gòu)能夠滿足8度區(qū)地震的變形要求,提高結(jié)構(gòu)抗震水平。

2 消能減震設(shè)計(jì)

通過(guò)在建筑物的抗側(cè)力體系中設(shè)置消能部件或裝置,消能減震部件或裝置消耗地震能量,起到“保險(xiǎn)絲”的作用,有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中的安全[3],且采用消能減震措施還可以減少或者避免其他傳統(tǒng)加固措施對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用帶來(lái)的不利影響。軟鋼阻尼器因其占地面積小,不妨礙建筑功能,且構(gòu)造簡(jiǎn)單、減震效果明顯,在近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。阻尼器在小震下進(jìn)入屈服狀態(tài),耗散地震能量,給整體結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比,同時(shí)也能提供一定的抗側(cè)剛度,進(jìn)一步降低水平側(cè)向位移,如圖1所示。

典型的軟鋼阻尼器由耗能板、連接板和加勁肋構(gòu)成,以耗能板的剪切屈服耗能為主,耗能能力飽滿,如圖2所示。將阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)中具有相對(duì)變形位置上,一般在層間。因其占地面積小,可布置在窗間墻位置,不妨礙建筑功能,典型的連接構(gòu)造如圖3所示。通常,主體結(jié)構(gòu)完成后再安裝阻尼器,阻尼器不承擔(dān)豎向力。

2.1 消能減震設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求,該項(xiàng)目需要3%的附加阻尼比。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)(2016版):“消能減震結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移角限值,應(yīng)符合預(yù)期的變形控制要求,宜比非消能減震結(jié)構(gòu)適當(dāng)減小?！?/p>

在該工程采用消能減震設(shè)計(jì),在8度小震下層間角應(yīng)小于抗震規(guī)范規(guī)定的彈性變形限值,即1/550;在8度大震下層間角小于1/50[3]。阻尼器需具有一定的層間剛度,具備抵抗層間變形的能力;且在小震下進(jìn)入屈服狀態(tài),耗散地震能量,相當(dāng)于附加給結(jié)構(gòu)一定的阻尼比,進(jìn)一步降低地震作用,保證8度小震下的變形要求。工程在8度小震作用下,阻尼器進(jìn)入屈服狀態(tài),為結(jié)構(gòu)提供附加抗側(cè)剛度和附加阻尼比,使其滿足小震下變形限值;在遭受設(shè)防烈度的地震作用時(shí),進(jìn)入屈服狀態(tài);在大震作用下,阻尼器發(fā)生更大程度的變形,耗散大量地震能量,控制結(jié)構(gòu)整體變形,減少主體結(jié)構(gòu)的損傷。

2.2 消能減震方案

若在框架跨間、層間布設(shè)斜撐式防屈曲支撐,則將影響學(xué)校建筑嚴(yán)格的人流交通、采光、通風(fēng)、緊急通道等方面的功能要求。因此應(yīng)選用墻式阻尼器,如軟鋼阻尼器、摩擦型阻尼器和搖擺墻等形式,可有效避開(kāi)門、窗洞口,布置更加靈活。該工程選用軟鋼阻尼器,合理選擇阻尼器型號(hào),優(yōu)化阻尼器的布置,以更好的發(fā)揮阻尼器的性能,減小主體結(jié)構(gòu)的地震力作用,降低整體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

阻尼器宜根據(jù)需要沿結(jié)構(gòu)主軸方向設(shè)置,使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近,形成均勻合理的結(jié)構(gòu)體系,同時(shí)避免受扭,應(yīng)盡量均勻地布置在結(jié)構(gòu)周邊,其數(shù)量、型號(hào)、位置通過(guò)時(shí)程分析優(yōu)化調(diào)整后確定,在1軸布置1個(gè)阻尼器,4軸布置2個(gè)阻尼器,C軸布置1個(gè)阻尼器,H軸布置2個(gè)阻尼器,布置方式見(jiàn)圖4。因1軸和2軸間僅有2層,故NBD-1-H×1～2和NBD-1-1×G～H布置于1～2層,其余阻尼器布置于1～3層;3層阻尼器使用摩擦型阻尼器,位置與1～2層阻尼器相同。該工程共采用12個(gè)軟鋼阻尼器和4個(gè)摩擦型阻尼器,具體參數(shù)見(jiàn)表1。與阻尼器連接的構(gòu)件及周邊構(gòu)件的截面抗震驗(yàn)算宜符合相應(yīng)的規(guī)定,同時(shí)還要按照抗規(guī)要求使設(shè)計(jì)滿足“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”。

表1 阻尼器規(guī)格及力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 分析模型

在相同條件下,采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立原鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的有限元分析模型,采用盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件分別建立原結(jié)構(gòu)模型和安裝軟鋼阻尼器后結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。

通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)整體預(yù)設(shè)附加阻尼比及對(duì)特殊支撐附加預(yù)設(shè)剛度后計(jì)算,使附加阻尼比及層間位移角收斂至一確定值。根據(jù)計(jì)算所得附加阻尼比及層間位移角對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋及構(gòu)造設(shè)計(jì)。最后使用彈塑性分析,驗(yàn)算附加阻尼器的結(jié)構(gòu)在8度大震作用下的層間位移角是否達(dá)到規(guī)定要求。

在盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中,選擇使用bouc-wen模型的塑性單元來(lái)模擬軟鋼阻尼器,其彈塑性力-位移關(guān)系采用初始剛度、屈服力、屈服后剛度比三個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬,為使曲線接近雙線性模型,屈服指數(shù)取一極大值,力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 地震波選擇

3.2.1 設(shè)防和罕遇地震作用下的時(shí)程分析

時(shí)程分析能精確地反映出整個(gè)地震過(guò)程中,結(jié)構(gòu)從彈性階段到彈塑性階段的內(nèi)力變化及構(gòu)件從開(kāi)裂到結(jié)構(gòu)倒塌的全過(guò)程。時(shí)程分析法根據(jù)結(jié)構(gòu)是否進(jìn)入彈塑性狀態(tài)劃分為兩種[5]:線性時(shí)程分析(彈性)、非線性時(shí)程分析(彈塑性)。對(duì)于減震結(jié)構(gòu),如果要精確分析消能器的變形耗能能力,就必須對(duì)其進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析。我國(guó)抗震規(guī)范也規(guī)定,對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí),一般宜采用靜力彈塑性分析或非線性的時(shí)程分析法。

3.2.2 地震波選則

按照抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,在進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析時(shí),應(yīng)結(jié)合該建筑場(chǎng)地類別設(shè)計(jì)地震分組。選用二組實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬加速度時(shí)程曲線,地震動(dòng)記錄的相關(guān)信息如表2所示,地震動(dòng)時(shí)程如圖5所示。

表2 地震記錄基本信息

3.3 結(jié)果分析

先用PKPM軟件建立8度抗震設(shè)防的混凝土框架結(jié)構(gòu)模型,再采用盈建科軟件建立8度抗震設(shè)防的混凝土框架結(jié)構(gòu)和消能減震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)模型,施加重力荷載和質(zhì)量,進(jìn)行模態(tài)分析,取前9階振型對(duì)比,見(jiàn)表3。可見(jiàn),采用兩種結(jié)構(gòu)分析軟件建立的結(jié)構(gòu)模型的自振周期非常接近,誤差小于10%,則表明采用盈建科軟件建立的消能減震結(jié)構(gòu)模型是合理的,可用來(lái)進(jìn)行減震分析。

表3 8度設(shè)防下原結(jié)構(gòu)與消能減震結(jié)構(gòu)的自振周期 /S

在8度小震地震力作用下(反應(yīng)譜峰值 0.07g),X、Y方向的層間位移和層間位移角見(jiàn)表4,兩個(gè)方向的最大層間角均遠(yuǎn)小于1/550,滿足規(guī)范要求。阻尼器在X和Y向分別附加阻尼比為3%和3%。

表4 8度小震作用下結(jié)構(gòu)位移驗(yàn)算

對(duì)3條地震波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,驗(yàn)算罕遇地震下消能減震結(jié)構(gòu)各層層間位移,分析結(jié)果如表5所示,均滿足1/50層間角的要求。

表5 8度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移角驗(yàn)算

以上結(jié)果表明,安裝消能減震設(shè)備后結(jié)構(gòu)可有效降低地震作用。原結(jié)構(gòu)基本滿足小震下的抗震性能,但有明顯的薄弱層存在,不能滿足大震抗震性能。附加阻尼器后,阻尼器在小震下進(jìn)入屈服較小,附加了3%的附加阻尼比,且可分擔(dān)部分地震剪力,有效降低主體結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力和界面尺寸。在大震下阻尼器進(jìn)入屈服狀態(tài),大量耗散地震能量,結(jié)構(gòu)的最大層間位移角1/68滿足大震要求的1/50,因此可在大震作用下起到防止結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

山西省某幼兒園綜合樓可基本滿足小震下的抗震性能,但不滿足大震抗震性能,有明顯的薄弱層存在。采用軟鋼阻尼器減震技術(shù)后,阻尼器在小震下可有效降低主體結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力,大震作用下起到防止結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的作用。