工業廠房金屬耗能器罕遇地震彈塑性時程分析

周 珺

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200033)

工業廠房具有大跨度、重荷載、高凈高等要求。純框架工業廠房往往不能滿足建筑空間需求，且純框架側向剛度小，抗震性能不利，尤其罕遇地震下，結構水平位移大，易造成嚴重破壞。本文用ETABS2016軟件進行抗震分析和參數研究，探討重荷載、大跨度、高凈高工業廠房在罕遇地震下的動力響應，驗證金屬耗能器的耗能保護作用。

1 工程概況

某工業廠房地上5層，鋼混框架體系。設防烈度7度(0.1g)，地震分組第一組，Ⅳ類場地，場地特征周期0.9 s，罕遇地震下結構阻尼比0.05。地上1層～4層布置了64根金屬耗能器(MDD)，人字形布置，金屬耗能器性能如表1所示，平面布置圖如圖1所示。

表1 選定支撐的性能

2 多遇地震下結構分析

本工程采用有限元分析軟件ETABS2016進行動力彈塑性分析，首先對工業廠房結構進行模態和多遇地震反應譜分析，并對比計算結果，如表2所示，表2中差值為：(|MDD結構-普通結構|/MDD結構)×100%。

表2 結構周期對比(前三階)

表2為原廠房結構與帶MDD支撐結構的周期變化，后者明顯減小。周期比顯著降低，說明MDD不僅能提高抗側剛度，也可有效改善結構抗扭性能。由圖2可知，MDD結構的基底剪力更小。圖3顯示了純框架與帶金屬耗能器的支撐結構在結構位移的改變，可見支撐結構的位移反應比純框架小，滿足規范要求。

3 罕遇地震作用下動力彈塑性分析

本工程使用的軟件ETABS2016軟件具有強大的非線性動力分析功能，能夠準確分析主體結構進入塑性的變形特征及防屈曲支撐在大震下所發揮的特性。主體結構框架梁采用梁鉸(M)、柱定義為柱鉸(PMM)(每個構件兩鉸，距離分別為0.02和0.98)，MDD采用PLASTIC(Wen)模型模擬，定義為P鉸，剛度取βEA/L，β=1.3,該系數為考慮節點板和節點域的剛度放大，屈服后剛度系數取0.01。MDD的模擬采用剛性桿系再定義纖維軸力鉸。

本文選取三條波進行彈塑性時程分析，TH1和TH2為天然波,TH3為人工波，分析時間70 s，調幅后的峰值加速度為220 cm/s2。

由圖4，圖5可知，罕遇地震下結構X向和Y向最大層間位移角均出現在第4層，分別為1/126和1/147，在限值1/50以內，滿足“大震不倒”的設防要求，即金屬耗能器可有效控制結構整體位移。

現以頂點位移對比分析結果為例來說明金屬耗能器的減震效果。圖6顯示兩種結構在相同地震動輸入下頂點位移在前20 s的時程曲線。純框架與支撐結構的最大頂點位移分別為：150.5 mm和105.5 mm，降幅為29.0%，可見在相同地震動輸入下，支撐結構頂點位移反應明顯更小，從而能夠更好滿足“大震不倒”要求。

下面以TH2波為例說明罕遇地震下結構屈服狀態。

由圖7～圖9可知結構屈服狀態變化，MDD先于梁柱出現塑性鉸，即罕遇地震下，MDD率先屈服耗散地震能量，避免主體過早進入塑性，發揮了第一道抗震防線作用。

采用附加阻尼比計算方法采用能量類比法，據此算出減震結構的金屬耗能器在罕遇地震下的X向和Y向平均附加阻尼比為2.92%和2.7%，阻尼比越大對結構越有利。

圖10～圖13為罕遇地震下部分MDD的滯回曲線飽滿，表明其具有良好耗能能力，底層MDD耗能效果最好。

純框架需要增大構件尺寸才能提高抗側剛度，這樣結構自重和地震力增大，也不經濟。采用金屬耗能器后構件尺寸大幅降低，見圖14，柱由1 200 mm×1 200 mm降為1 000 mm×1 000 mm，主梁由800 mm×900 mm降為400mm×900 mm，圖14顯示了純框架結構和BRB結構的單位構件混凝土用量差別，整個結構共計節約混凝土約19%，同時建筑獲得更多的使用空間。這證明金屬耗能器不僅可以提高結構的抗震性能，同時兼具良好的經濟性。

4 結語

本文通過在大跨度、重荷載工業廠房中設置金屬耗能器，有效降低了結構地震動力響應，大大提高了其抗震性能與抗震安全儲備。分析可知，多遇地震下金屬耗能器不僅能增加結構剛度，還能有效控制位移響應，改善結構抗震性能。罕遇地震下金屬耗能器先于梁柱出現塑性鉸，率先進入屈服，滯回曲線飽滿，有效耗能并保護主體結構。且大震下結構整體變形均沒有超過規范限值，滿足“大震不倒”的要求，并有效減小地震作用。高烈度地區的帶金屬耗能器的框架結構工業廠房可耗散地震能量，使結構主體避免倒塌，和純框架相比能大幅減小結構梁柱尺寸及結構地震作用，是更經濟的結構形式。