談昆明某幼兒園教學樓減震與抗震性能設計

杜勁泉 周 輝

(1.云南浦蘭寧建筑規劃設計有限公司，云南 昆明 650300； 2.泛華建設集團有限公司云南分公司，云南 昆明 650300)

0 引言

由于無法確定地震的破壞力、強度和特性，傳統的抗(振)震方法設計的結構不能更有效的降低地震力對結構的破壞，因此當地震來臨，往往會造成重大的經濟損失和人員傷亡。而消能器(黏滯阻尼器)在地震來臨時，能最大限度的吸收和消耗地震力對建筑結構的沖擊能量，有效的緩解地震對建筑結構造成的沖擊和破壞。其作用相當于汽車的“安全氣囊”[1]，在受到地震沖擊時，保護建筑結構安全。本文就以實際工程來闡述減震消能技術，為其他工程提供參考。

1 工程概況

本工程為云南省昆明市安寧市某幼兒園教學樓。結構體系為鋼筋混凝土框架結構，結構共4層，總高度14.10 m。建筑總面積為7 202.06 m2。該工程抗震設防烈度為8度(0.2g),場地類別:Ⅱ類，設計地震分組：第三組，特征周期值0.45 s,抗震設防類別為重點設防類別(乙類建筑)。根據云南相關抗震專項審查要求，該項目需采用減隔震設計，那么要做減震設計還是隔震設計。

2 減震與隔震方案選取

本工程可選擇的方案有減震和隔震，如采取隔震方案，由于隔震設計需要在建筑底部增加隔震層，相當于增加半地下室影響工期；故本工程最后決定采用減震設計。本工程幼兒園結構房屋高度不高，按常規8度設防設計，常規斷面能滿足結構剛度需求，因此采用減震產品時選擇不給結構提供附加剛度的減震產品更合適，因此黏滯阻尼器成為本工程首選，采用黏滯阻尼器在N1震作用下提供附加阻尼，能降低地震力，經過計算能滿足本工程的設計要求。

3 減震方案設計

根據國家相關規范、云南相關抗震專項審查及結合本工程相關要求，采用布置黏滯阻尼器的消能減震方案進行減震設計。結構需要在多遇地震下給結構附加5%的阻尼比，即結構阻尼比取值為5%+5%(附加)=10%，且結構在阻尼比不附加的情況下取值為5%時仍滿足相關規范要求。阻尼器按照“均勻、分散、對稱”的原則進行布置，且不得影響相關建筑房間的使用功能。本工程分別在結構二層、三層布置黏滯阻尼器[2]。

4 有限元模型建立與地震波選取

4.1 模型的建立

本工程是鋼筋混凝土框架結構，本結構模型依據YJK建立并分析計算，其結構計算結果滿足相關的國家和地方相應的標準要求。使用軟件SAP2000建立減震結構模型，并進行計算減震分析設計。利用SAP2000中連接單元damper模擬懸臂墻式黏滯消能器，計算其對結構的影響。

參照《云南省建筑消能減震設計與審查技術導則》(試行)，在不考慮附加阻尼比的情況下，結構仍應能滿足GB 50011建筑抗震設計規范的多遇地震作用下彈性層間位移角限值和罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角限值。

4.2 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：選取5條實際強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線，多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符,且彈性時程時,每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%,多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

各地震波與反應譜計算的基底剪力對比結果如表1所示。

表1 各地震波與反應譜計算的基底剪力對比

5 減震分析

減震結構通常采用兩階段的分析方法，即多遇地震彈性時程分析和罕遇地震作用下彈塑性時程分析，其分析結果均應滿足要求。

5.1 減震結構彈性時程分析

本工程預期附加阻尼比為5%，即結構總阻尼比為：5%+5%=10%。經計算X方向在7條時程下平均的附加阻尼比為7.89%(7.89%×80%=6.31%)；Y方向在7條時程下平均的附加阻尼比為8.64%(8.64%×80%=6.92%)，滿足附加阻尼比為5%的預期要求。

5.2 減震結構彈塑性時程分析

5.2.1結構彈塑性位移計算

根據《云南省隔震減震建筑工程促進規定實施細則》第七條規定，應通過設置消能減震裝置減小結構的水平地震作用，使建筑抗震性能明顯提高。罕遇地震作用下減震結構與非減震結構的水平位移比小于0.75。不同地震波的時程分析，根據規范要求，7條地震波取平均值。本工程彈塑性分析主要計算結果如表2～表4所示。

表2 大震下減震結構位移角 1/rad

表3 大震下非減震結構位移角 1/rad

表4 大震下非減震結構、減震結構最不利層間位移角比值

綜上所述，本工程通過設置減震器以后，建筑的性能明顯提高，主要計算結果均滿足規范及審查技術導則的要求。

5.2.2減震結構頂點大震彈性位移與彈塑性位移對比

減震結構頂點大震彈性位移與彈塑性對比如表5～表7所示。

表5 大震下減震結構彈性頂層位移 mm

表6 大震下減震結構彈塑性頂層位移 mm

表7 大震下減震結構彈性、彈塑性頂層位移比值

5.2.3結構出鉸順序

由計算結果可知:

1)罕遇地震作用下，結構層間位移角滿足規范要求的1/50,達到預期的減震性能目標，結構存在較高的安全儲備,有抵御較大地震的能力；

2)從結構時程分析塑性發展情況來看，結構框架梁優先出現鉸，后出現框架柱鉸，鉸的塑性發展程度較低，結構滿足“強柱弱梁”的概念設計要求,同時也滿足三水準兩階段的原則,能更好的抵御和消耗地震造成的破壞。

6 結語

經過對云南省昆明市安寧市某幼兒園教學樓進行一系列的減震設計與分析，對其抗震性能進行研究和理解，得出采用減震設計結構的抗震性能可以得到很大提高，結構安全儲備較高，該結構能在地震到來的時候有效的保護建筑,該工程可為各地高烈度地區結構抗震設計提供參考。