剪力墻結構減震設計實例

梁 鵬 花

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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剪力墻結構減震設計實例

梁 鵬 花

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

簡述了建筑消能減震的設計原理，針對某剪力墻工程的結構受力特點，探討了在連梁處布置金屬剪切型阻尼器的結構設計方法，以有效提高結構的抗震性能。

剪力墻，消能減震，阻尼器，連梁

0 引言

近年來，隨著對建筑工程減震隔震技術研究的不斷深入，我國部分地震高烈度地區開展了工程應用工作。一些應用了減震隔震技術的工程經受了汶川、蘆山等地震的實際考驗，保障了人民生命財產安全，產生了良好的社會效益。

根據住房和城鄉建設部(建質[2014]25號)《住房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)》的精神和山西省住房和城鄉建設廳(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》中的有關規定，抗震設防烈度8度區、地震重點危險區的學校和幼兒園的新建教學用房、學生宿舍、食堂以及醫院的新建醫療建筑，必須采用減隔震技術。本工程位于抗震設防烈度8度區，且使用功能為學生宿舍，應采用減隔震技術進行本工程抗震設計。

1 建筑消能減震設計原理

消能減震設計指在房屋結構中適當設置消能器，通過消能器的相對變形和相對速度提供附加阻尼，以消耗輸入結構的地震能量，達到預期防震減震要求。其實現方法是在結構中某些相對變形較大的部位安裝消能裝置或者將某些非承重構件設計成消能構件，通過消能裝置和消能構件大量消耗地震輸入能量，達到減震目的。結構中合理布置消能器以達到預定減震效果。

建筑消能減震技術經過多年應用已成為成熟技術。建筑消能減震設計按照國家規范GB 50011—2010建筑抗震設計規范及相應的行業標準進行。

2 消能器分類

建筑消能部件可由消能器及斜撐、墻體、梁等支承構件組成。消能器分為速度相關型、位移相關型和其他類型。

1)速度相關型。

消能器的耗能能力與消能器兩端的相對速度有關的消能器，如粘滯消能器、粘彈性消能器等。

2)位移相關型。

消能器的耗能能力與消能器兩端的相對位移有關的消能器，如金屬消能器、摩擦消能器和屈曲約束支撐等。

3)復合型。

消能器的耗能能力與消能器兩端的相對位移和相對速度有關的消能器，如鉛粘彈性消能器等。

3 本工程消能減震設計

3.1 工程概況

本工程地下2層，地上18層。建筑物總高度為52.750 m，總長度為67.700 m，總寬度為16.900 m，主體結構采用鋼筋混凝土剪力墻結構，圖1為標準層剪力墻布置圖。

本工程抗震設防烈度：8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第1組，特征周期為0.45 s。建筑抗震設防類別為丙類，剪力墻抗震等級為二級。建筑場地類別為Ⅲ類。原結構阻尼比為5%。

3.2 結構特征

本工程為剪力墻結構。由于剪力墻連梁兩端墻肢的不均勻壓縮，會引起連梁兩端的豎向位移差，并將在連梁內產生內力。傳統的剪力墻結構抗震設計通過剪力墻連梁的往復塑性變形來耗能。剪力墻中的連梁在地震水平荷載作用下會出現交叉裂縫，并形成塑性鉸，導致結構剛度降低，變形加大，從而吸收大量的地震能量；同時通過塑性鉸仍能繼續傳遞彎矩和剪力，對墻肢起到一定的約束作用，使剪力墻保持足夠的強度和剛度。在這一過程中，連梁起到了一種耗能的作用，對減少墻肢內力，延緩墻肢屈服有著重要的作用。但在地震的反復作用下，連梁的裂縫會不斷發展、加寬，直到混凝土受壓破壞，這些塑性變形的積累導致連梁的破壞，很難進行災后修復或不經濟。

根據剪力墻結構的受力特點及建筑功能要求，將消能裝置布置在結構上部受力較大的連梁處，可以最大限度的消耗地震力，并能有效避免連梁混凝土的破壞，更好的實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防水準目標。

3.3 金屬剪切型阻尼器特性

金屬消能器，由各種不同金屬材料(軟鋼、鉛等)元件或構件制成，利用金屬元件或構件屈服時產生的彈塑性滯回變形耗散能量的減震裝置。

本工程采用的連梁阻尼器屬于金屬消能器。金屬剪切型阻尼器的設計需要考慮剛度的變化。圖2表示了金屬阻尼器的等效剛度在不同位移下有所不同。軟鋼屈服阻尼器和連梁阻尼器的等效剛度與等效阻尼比計算需要根據樓層的最大位移計算，因此在計算中需要進行剛度與阻尼比的迭代。

對于連梁阻尼器，其設計參數主要為：彈性剛度、屈服承載力、二次剛度、最大承載力。阻尼器耗能為該阻尼器滯回曲線的面積。在PKPM模型中，沒有可以直接指定單元剛度與阻尼比的單元，故采用墻單元模擬阻尼器剛度，阻尼器提供的附加阻尼比在結構整體阻尼比中體現。

3.4 結構設計

給結構配置消能部件，其實質是給結構附加阻尼，使結構的等效阻尼比增加，而結構等效阻尼比的增加會使結構的地震響應降低，同時給結構增加剛度，減小結構位移，從而減小結構位移角和位移比。本工程連梁在小震計算中超筋現象嚴重，連梁阻尼器所在的位置地震力和連梁變形均較大。因此，本工程均勻的在7層～14層的剪力墻連梁位置布置了連梁阻尼器，每層4個。在這些位置布置連梁阻尼器可以有效的耗散地震能量，保護主體結構。

表1 本工程阻尼器初步設計方案

表2 連梁阻尼器性能參數

表3 阻尼比計算結果

本工程采用由中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部編制的《多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件 SATWE》進行整體分析，抗震分析時考慮了扭轉藕聯效應、偶然偏心及雙向地震效應。同時，結合清華大學與北京羿射旭科技有限公司聯合開發的消能減震結構設計程序EDStruDesign進行阻尼器附加阻尼比的計算。在計算中，采用等效剛度和等效阻尼的方法來考慮阻尼器對結構的貢獻。

綜合考慮減震目標及建筑功能的需要，本項目共設置了32個連梁阻尼器，并對該結構進行設計計算。阻尼器噸位設計為35 t。具體各層阻尼器布置情況見表1。

本工程采用的連梁阻尼器性能參數如表2所示。

3.5 結構分析結果

本項目中連梁阻尼器布置在結構較弱的Y向，其結果如表3所示。

經過計算該結構層間位移角如表4所示。

由表4可知，設置阻尼器之后，Y向最大層間位移角為1/1 133，均小于規范限值，滿足規范要求并有足夠的安全儲備。其他荷載工況下計算結果也均滿足規范要求并有足夠的安全儲備，減震結構小震下各層層間位移角均小于非減震結構。

表4 減震與非減震結構層間位移角計算結果對比

表5 結構層剪力計算結果 kN

經過計算結構層剪力計算結果如表5所示。

由表5可以知道，設置有阻尼器的減震結構，計算得到的各層剪力均小于未設置阻尼器的非減震結構，阻尼器耗能作用顯著。

4 施工難點

本工程的阻尼器設置于連梁跨中，因此連梁的鋼筋就需要在阻尼器位置斷開，那么連梁鋼筋怎樣有效的傳遞荷載及地震力就非常重要。個人認為，連梁鋼筋設置時，要考慮阻尼器的預埋錨筋的規格，將它們很好的結合，可以采用連梁鋼筋作為一部分預埋錨筋，通過連梁鋼筋與預埋板的有效連接，既能保證荷載的有效傳遞，又能避免連梁鋼筋彎錨帶來的鋼筋太密，無法保證混凝土振搗密實度而帶來的隱患。

5 結語

本工程通過消能減震設計，建筑物橫向(Y)阻尼比由非減震設計的5%增加到7.3%，地震作用明顯減小；結構層間位移角比非減震設計減小10%，提高建筑物的抗震性能及舒適度；底層剪力比非減震設計的減小10%；采用減震設計后，相較于非減震設計，主體結構構件受到的地震作用降低15%。

本工程采用消能減震阻尼器進行減震設計，達到了預期的減震目的，符合《建筑抗震設計規范》及住房和城鄉建設部與山西省住房和城鄉建設廳關于減隔震設計的要求。

[1] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術規程[S].

[2] 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.

[3] 郭鳳香.高層建筑剪力墻連梁受力性能的研究[D].西安：西安科技大學，2006.

A design example of shear-wall structure with energy dissipation

Liang Penghua

(ShanxiArchitecturalDesign&ResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper indicates the design principle for the energy dissipation and seismic reduction of buildings, explores the structural design methods for the metallic shearing dampers allocated at the continuous beams according to the structural stressed features of some shearing wall projects, so as to improve the structural seismic performance.

shearing wall, energy dissipation and seismic reduction, damper, continuous beam

1009-6825(2016)13-0049-03

2016-02-23

梁鵬花(1978- )，女，工程師

TU352

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