某消防指揮中心工程消能減震設計

李玉龍，楊彥海，姜峰

（北京市弘都城市規(guī)劃建筑設計院，北京100045）

1 引言

根據司法部《建設工程抗震管理條例（征求意見稿）》第2.15條規(guī)定：位于高烈度設防地區(qū)、地震重點監(jiān)視防御區(qū)的新建學校、幼兒園、養(yǎng)老機構、應急指揮中心、應急避難場所等公共建筑應采用隔震減震技術，保證發(fā)生本地區(qū)設防地震時不喪失建筑功能【1】。

消能減震技術作為一種被動減震技術，是將具有一定阻尼和剛度的結構耗能構建布置在建筑物合適的部位，一定程度地提高建筑物的阻尼與剛度，通過這些耗能構件消耗輸入建筑的震動能量，達到降低結構動力響應、保護主體結構安全的目標。張兵【2】通過在建筑中布置減震器，分析發(fā)現，設置減震器可提高結構的抗震性能。本文以8度區(qū)某消防指揮中心一個結構單元為工程實例，探討消能減震技術的實踐應用。

2 工程概況

該消防指揮中心項目建筑面積34 300m2，依據GB 50223—2008《建筑抗震設防分類標準》，該項目屬于重點設防類建筑【3】。本項目為乙類建筑，屬于地震中不可中斷使用的建筑，綜合選擇后該項目采用鋼框架結構加屈曲約束支撐的結構形式。該項目建筑南側地上8層、地下3層，北側地上7層、無地下室，東側裙房地上4層、地下3層，通過抗震縫將結構劃分為合理的計算單元；建筑所在地區(qū)抗震設防烈度為8度（0.2g），地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類。

3 消能減震設計思路

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016版）（以下簡稱《抗規(guī)》）中結構性能化設計的相關規(guī)定【4】，本工程消能減震設計目標如下：

1）當多遇地震作用時，主體結構處于彈性工作狀態(tài)，同時建筑物內部的非結構構件沒有明顯損壞；當結構遭遇罕遇地震時，建筑物內部設置的減震系統(tǒng)能正常發(fā)揮其預期的減震作用。

2）根據預期的水平地震力、位移控制要求等參數，估算結構的附加剛度、附加阻尼、減震器的截面參數及數量并布置在合適的位置。

3）在結構層間相對位移較大的樓層或相對速度較大的樓層合理布置屈曲約束支撐，合理設置屈曲約束支撐與主結構之間的連接節(jié)點，提高支撐兩端相對變形的能力，增強屈曲約束支撐的耗能能力。

4）對于與屈曲約束支撐連接的消能子結構梁、柱和墻等構件，采用屈曲支撐在極限位移時的阻尼力對其截面進行承載力設計。

5）對布置有減震器的整體結構進行不同地震作用下的彈性分析和彈塑性分析。

6）在罕遇地震作用下，應保證支撐與主結構之間的連接部件保持不屈的狀態(tài)。

4 建筑結構設計

4.1 建筑結構方案

本工程為鋼框架結構加屈曲約束支撐結構，通過SAP2000有限元軟件建立結構減震與非減震分析2種模型進行計算分析，建筑中布置的屈曲約束支撐采用SAP2000有限元軟件提供的連接單元plastic（wen）進行模擬。結合建筑平面布置，遵循“均勻、分散、對稱”的原則布置屈曲約束支撐，布置位置詳見圖1，SAP2000計算模型詳見圖2。

圖1 屈曲約束支撐平面布置圖

圖2 SAP2000計算模型

4.2 結構減震目標與性能目標

分析本工程的特點及重要程度，參考相關設計規(guī)范，確定在多遇地震和罕遇地震作用下本工程的消能減震目標（見表1），以及具體性能目標與設計方法（見表2）。

表1 本工程的消能減震目標

表2 結構性能化設計目標及方法

4.3 地震波的選取

根據《抗規(guī)》5.1.2條的規(guī)定，選取7條地震加速度時程曲線對本工程進行彈性時程分析時，時程分析所得的結構基底剪力與反應譜法所得的基底剪力對比詳表3，從表中的計算結果可以看出，時程分析所得的基底剪力與反應譜法計算的基地剪力的比值均在65%～135%，時程分析所得的基底剪力平均值大于反應譜法計算基底剪力的80%，所以時程分析所選取的地震波符合規(guī)范要求。

表3 反應譜與時程工況的基底剪力對比

SAP2000有限元軟件中快速非線性分析（FNA）方法對結構彈性時稱分析時，主結構本身處于彈性工作狀態(tài)，屈曲約束支撐處于非線性工作狀態(tài)。計算所得的減震結構與非減震結構樓層剪力詳見圖3、圖4?？梢钥闯觯黾訙p震器后，樓層剪力較未布置減震器時減小，且樓層剪力變化相對均勻，沒有明顯的薄弱層，說明布置減震器后，結構的抗震性能提高。

圖3 減震結構樓層剪力圖

圖4 非減震結構樓層剪力圖

圖5為減震結構時程分析與反應譜分析所得的結構位移角，從圖中可以看出，反應譜分析所得的結構位移與時程分析所得的基本一致，且均滿足規(guī)范要求，所以，反應譜分析的結果滿足結構設計的要求。

圖5 減震結構位移圖

5 結語

該消防指揮中心的結構減震設計中采用了約束屈曲支撐耗能減震裝置。結構的彈性時程分析結果表明，屈曲約束支撐發(fā)揮了良好的消能減震作用，結構的減震性能得到了顯著提高，通過反應譜法計算所得的樓層剪力、層間位移角與時程分析所得的相應結果相符，按反應譜法所得的層剪力及構件內力能夠滿足結構設計要求。