某中學報告廳減震分析與應用

羅 智 剛

(山西省建筑設計研究院，山西 太原　030013)

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某中學報告廳減震分析與應用

介紹了粘滯阻尼器的工作原理，以某中學報告廳為例，闡述了阻尼器在結構設計中的布置原則與方案，并采用ETABS，對設置阻尼器前后的結構進行了多遇及罕遇地震下的反應譜分析與時程分析，結果表明：報告廳等該類建筑結構采用粘滯阻尼器后，提高了結構的抗震性能。

建筑結構，粘滯阻尼器，減震設計，報告廳

0　引言

減震技術作為建筑結構減輕地震災害的新技術具有傳統抗震結構體系“延性結構體系”難以比擬的優越性。近年來，隨著建筑工程減震技術研究不斷深入，使抗震結構設計更趨經濟合理。在一些高烈度地區的工程應用也經受住了實際地震的考驗，產生了良好的社會效益(2008年的汶川地震，應用了減震技術的建筑就證明了這一點)。在高烈度地區的學校、醫療建筑中已要求強制使用減震技術[1，2]。粘滯阻尼器可以產生較大的彈塑性變形及阻尼，吸收了地震傳來的大部分能量，使建筑主體結構避免出現過大的變形，一定程度上減少了建筑結構主體的破壞，從而達到預定的性能。

1　粘滯阻尼器的分析方法

1.1粘滯阻尼器的工作原理[3，4]

建筑結構減震是指在結構某些部位通過安裝減震裝置以改變結構剛度和消耗地震能量，從而減小結構的位移和損傷。本次報告廳減震設計中用到的是筒式粘滯阻尼器，本文僅對筒式粘滯阻尼器的特性做一簡單介紹。筒式粘滯阻尼器中液體(比如硅凝膠體等)具有高粘滯性、高濃度性，當地震發生時，由于地震作用使得粘滯阻尼器的內部構件(即活塞)產生相對運動，又由于活塞處于這些粘滯液體中，帶動液體的運動，從而導致活塞前后產生壓力差，使阻尼器內部液體流過活塞上的阻尼孔產生阻尼力，可以有效吸收地震產生的能量，以達到減輕結構動力響應的目的。

1.2粘滯阻尼器的出力分析

1)在建筑物主體結構的特定部位設置粘滯阻尼器后，這些阻尼器與原結構組成了一個新的抗震結構體系。在多遇地震情況下，設置粘滯阻尼器的結構體系發生較小的彈性變形，在地震發生后，結構自身就可以恢復這種變形，這類地震不會對結構造成損傷，建筑的使用年限也不會受到影響。在罕遇地震情況下，設置了粘滯阻尼器的新抗震結構體系自身的彈性變形不足以抵抗地震作用，此時粘滯阻尼器負擔絕大部分地震傳來的能量，產生了較大的彈塑性變形，避免了主體結構出現過大的變形，從而減少了主體結構的破壞。地震發生后，建筑仍可以正常使用，避免了人、財等一系列損失。

2)粘滯阻尼器的出力計算。粘滯阻尼器是屬于速度相關型阻尼器的一種，其力—速度的關系一般可表示為：

F=CVm。

其中，F為阻尼器的出力；C為阻尼器的阻尼系數；V為阻尼器兩端的相對速度；m為阻尼器的阻尼指數。

2　結構消能減震設計

2.1工程概況

此報告廳為中學學生用房，屬重點設防類，根據有關要求[2]，采用消能減震設計來進一步提高建筑物的可靠性和安全性。圖1為報告廳平面示意圖。結構形式為框架結構，地上3層，底層層高為6.4 m，二層層高為5.7 m，三層層高7.8 m，屋面為鋼網架及鋼骨架輕型屋面板。結構總高度20.350 m，室內外高差0.450 m。混凝土強度等級梁板柱均為C30，主要框架梁截面為350×700(800)，框架柱界面主要為700×700，少量為600×600，樓板除看臺部分為120 mm厚外，其余均為100 mm厚。受力鋼筋均采用三級鋼筋。場地類別Ⅲ類，基本風壓為0.40 kN/m2(按50年一遇)。地面粗糙度為B類。抗震設防烈度為8度(0.20g)；設計地震分組為第一組。

2.2房屋的基本信息分析

為得到此報告廳主體結構的可靠的基本信息，分別采用PKPM分析軟件(V2.2版)和ETABS分析軟件對主體結構進行了建模，并對兩種模型的計算結果數據進行了綜合分析，對比結果如下。如表1所示為8度(0.2g)小震作用下PKPM模型計算的原結構信息，表2為PKPM模型的周期信息。

表1　8度(0.2g)小震作用下原結構PKPM模型信息

表2　原結構PKPM模型的周期信息

2.3ETABS模型分析

結合PKPM模型信息，建立主體結構的ETABS模型。同時，為驗證ETABS模型的準確性，將ETABS模型與SATWE模型計算得到各種結果參數進行對比分析，如表3～表5所示，表中誤差的算法為：誤差=(|SATWE-ETABS|/SATWE)×100%。

表3　原結構模型質量對比

表4　原結構模型周期對比

表5　原結構模型樓層剪力對比

綜合上述，從兩種模型的結果數據看出，結構的基本信息相差較小，無論是質量、周期還是地震剪力，ETABS模型所得到的數據都可以作為減震分析的模型來進行分析，且能真實、準確地反映結構的基本特性。

2.4地震波的選取

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范5.1.2條規定，本工程實際選取了5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程。7條時程波的平均反應譜的計算結果見圖2。

由圖2可知，各時程平均反應譜與規范反應譜較為接近(結構基本周期處)。

3　減震裝置的設計與布置

3.1阻尼器的設計布置原則

1)本工程為減震建筑，要求為在多遇地震下建筑主體結構仍保持彈性，在罕遇地震下，粘滯阻尼器系統仍可以正常工作。

2)本工程減震設計過程中，將水平向地震力和位移控制作為選擇阻尼器數目及布置的主要參數，并經多次試算，將阻尼器配置在主體結構的特定位置。

3)為了提高阻尼器的減震效果，在條件允許的情況下，盡可能增加阻尼器兩端的相對位移，并將阻尼器布置在結構層間相對位移較大的樓層。

4)在進行阻尼器的連接板和相關的梁柱節點設計時，將各阻尼器的出力值的1.2倍作為外荷載來計算，并對相鄰梁柱進行驗算，適當采取一些加強措施。

5)對設置了粘滯阻尼器的主體結構在不同地震下進行彈塑性整體分析。

6)粘滯阻尼器的布置應考慮施工的可行性，滿足建筑使用功能及外部造型上的要求，并根據建筑結構的特點盡可能地對稱布置。為了不影響阻尼器的耐久性，在不影響其他功能的條件下，可采用低強度的防火材料輕質隔板把阻尼器包裹起來。

3.2阻尼器的布置方案

在減震設計中，為了避免阻尼器的主體結構層間剛度突變，產生新的薄弱層，決定將粘滯阻尼器逐層安裝在主體結構上，1層～3層共安裝18個粘滯阻尼器(型號噸位一致)。將原PKPM模型的各層地震剪力和位移角為依據，本工程實際所選用的阻尼器規格和數量詳見表6。粘滯阻尼器及支撐的平面布置位置如圖3所示。

表6　附加粘滯阻尼器的布置方案及設計參數

4　結語

使用ETABS對設置阻尼器前后兩個模型各自在多遇地震作用下進行反應譜分析和在罕遇地震作用下進行時程分析，通過對計算結果各參數的對比分析，結果表明報告廳等此類建筑物結構采用粘滯阻尼器后，消能減震設計取得了良好的效果，主要體現在以下幾個方面：

1)在結構1層～第3層共設置粘滯阻尼器18個，通過7條時程波的計算分析，得出多遇地震作用下阻尼器所提供的等效附加阻尼比為X向11.60%和Y向18.56%。

2)原結構在8度多遇地震時，時程分析平均值在X，Y向的最大層位移角分別是1/421，1/359。設置粘滯阻尼器的消能減震結構在8度多遇地震時X，Y向的最大層間位移角則分別降低到1/958，1/1 086。

3)結構中所附加的粘滯性阻尼器在罕遇地震作用下的出力最大為313 kN，對應的最大位移為74.62 mm。

4)在多遇地震情況下，設置了粘滯阻尼器的主體框架結構X，Y向層間剪力比原結構的層間剪力均大幅度減小，比值分別是0.26和0.31。這說明進行減震設計后的結構體系抗震性能大大提高。

5)在多遇、罕遇地震作用下，設置了粘滯阻尼器的建筑結構，很好地改善了原結構薄弱部位的抗震性能。在罕遇地震作用下，“強柱弱梁”的設計理念得到了明顯的體現。對于報告廳此類空曠結構，更有利于實現“大震不倒”的設防目標。

[1]建質[2014]25號，住房和城鄉建設部關于房屋建筑工程推廣應用減隔震技術的若干意見(暫行)[S].

[2]晉建質字[2014]115號，山西省住房和城鄉建設廳關于積極推進建筑工程減隔震技術應用的通知[S].

[3]羅軍峰.粘滯阻尼器在結構抗震中的應用與研究[D].成都：西南交通大學研究生學位論文，2008.

[4]潘鵬，葉列平，錢稼茹，等.建筑結構消能減震設計與案例[M].北京：清華大學出版社,2014.

The damping analysis and application of a high school auditorium

Luo Zhigang

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the working principle of viscous dampers, taking a high school auditorium as an example, elaborated the layout principle and plan of dampers in structure design, and using ETABS, made response spectrum analysis and time history analysis under frequent earthquake and rare occurrence earthquake to the structure before and after setting dampers, the results showed that the auditorium and other kind of building structure with viscous dampers, improved the seismic performance of structures.

building structure, viscous damper, damping design, auditorium

1009-6825(2016)08-0055-03

2016-01-07

羅智剛(1979- )，男，工程師

羅 智 剛

(山西省建筑設計研究院，山西 太原030013)

TU352

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