減震技術在高烈度地區體育館中的應用分析

沈 維 亮

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 消能減震技術

消能減震技術就是通過提升結構的附加阻尼來降低地震對建筑結構產生的地震力反應，消能減震技術在當前階段的應用范圍非常廣。不僅能夠在新建建筑物中使用減震技術，還能夠應用于老舊建筑物的抗震改造中，同時既能夠應用在鋼結構中，又能夠應用在鋼筋混凝土結構中[1]。

建筑結構消能減震設計是把結構的某些抗側力構件(支撐、連接件等) 設計成阻尼構件、或者在構件的某些部位(層間、節點、連接縫等) 設置消能部件、使該建筑在地震和風荷載作用下,隨著結構影響的增大,通過消能構件或者消能器相對變形或者相對速度提供附加阻尼,大量消耗輸入主體結構的地震或風振能量,達到預期防震要求[2]。

2 工程概況

本項目建設于?？谑虚L秀片區(B區)內，建筑內容為18 000座甲級體育館，可滿足舉辦全國性和單項國際比賽的要求。本工程建筑高度為48.60 m，建筑層數為地下1層，地上6層(比賽廳為單層大空間)。底層層高4.3 m、2層4.1 m、3層6.33 m、4層4.8 m、5層4.3 m，室內外高差150 mm?？磁_平面如圖1所示，剖面如圖2所示。

本工程抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度0.30g，地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類，特征周期0.40 s。體育館容納人數為18 000座大于4 500，根據GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準條文說明6.0.3本工程屬于重點設防類[3]。

3 結構選型與結構布置

本項目為乙類設防建筑，重要性程度高，抗震性能要求高；同時位于高烈度地區，地震作用大，需采用有效措施保證結構在地震作用下的安全性。基于此，對本體育館結構體系提出兩種方案進行比選：1)抗震方案：框架—剪力墻結構體系；2)減震方案：框架—屈曲約束支撐+黏滯阻尼墻結構體系。

3.1 抗震結構方案結構布置

抗震結構體系最初考慮框架結構，但由于地震烈度較高，地震力較大，水平位移不滿足要求，故增加設置剪力墻。由于體育館上層看臺處剛度較弱，所以剪力墻布置在相應位置，在提高結構整體剛度的同時，也可有效控制看臺處的局部水平變形。經計算分析，結構的整體扭轉效應比較明顯，在平面環向增加設置部分剪力墻。最后的框架—剪力墻結構方案如圖3所示。

3.2 消能減震方案結構布置

在抗震方案的基礎上，提出消能減震方案。消能減震方案采用框架—屈曲約束支撐+黏滯阻尼墻抗側力體系，如圖4所示。減震部件布置如下：1)黏滯阻尼墻布置：黏滯阻尼墻布置于結構的1F和2F，黏滯阻尼墻在小、中、大震下均發揮耗能作用；2)屈曲約束支撐布置：為保證結構整體剛度的同時進一步提高中震和大震下的減震效果，將抗震方案的剪力墻替換為屈曲約束支撐。

4 減震部件布置方案對比

4.1 減震部件布置方案

方案1：1F～2F布置黏滯阻尼墻，3F～4F布置屈曲約束支撐，布置立面圖如圖5所示。

方案2：1F～3F布置黏滯阻尼墻，4F布置屈曲約束支撐，布置立面圖如圖6所示。

方案3：1F～2F布置黏滯阻尼墻，3F布置屈曲約束支撐，4F布置黏滯阻尼墻，布置立面圖如圖7所示。

4.2 分析結果對比

分析結果如圖8，表1所示。

表1 最大層間位移角對比

由于方案2和方案3分別在3F和4F采用黏滯阻尼墻替代屈曲約束支撐，相應樓層剛度突變，導致層間位移角不滿足規范要求。因此，本項目采用方案1布置方式。

5 減震結構與常規結構計算對比分析及計算結果

本項目在地震作用下的耗能減震效率采用非線性彈性時程分析，地震波從Ⅱ類場地的地震波庫中選取，選用的5組天然波TR1,TR2,TR3,TR4,TR5和2組人工波RG1,RG2(共7組波)。

5.1 附加阻尼比分析

采用能量對比法對7組時程波下的附加阻尼比分別進行計算，多遇地震結果如表2所示，設防地震結果見表3。

表2 多遇地震附加阻尼比計算

表3 設防地震附加阻尼比計算 %

由表2可知小震下附加阻尼比2%，由表3可知中震下附加阻尼比2.1%，有利于降低地震作用。

5.2 地震作用結果分析對比

采用以上7條時程波對抗震方案和消能減震方案進行對比，多遇地震對比結果見表4，設防地震對比結果見表5。

表5 設防地震分析結果對比

由上面對比可知，多遇地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，相較于抗震方案減小地震作用約33%(X向)、42%(Y向)；設防地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，屈曲約束支撐部分耗能，相較于剛性方案減小地震作用約36%(X向)、43%(Y向)。

5.3 耗能構件分析

通過分析，設防地震下，約有55%的屈曲約束支撐進入屈服耗能，通過黏滯阻尼墻與屈曲約束支撐同時發揮耗能作用，設防地震下消能減震裝置共提供附加阻尼比約2.1%，相較于抗震結構方案地震作用減小35%～40%。

大震下黏滯阻尼墻繼續發揮耗能作用，屈曲約束支撐基本全部屈服，減震部件耗能約占總能量的25%，提供附加阻尼比約2.6%，體現了良好的耗能效果。構件塑性耗能占30%左右，通過采用減震方案，主體結構構件得到有效保護，改善了結構抗震性能。

6 結語

從上面的分析結果可知，消能減震方案相比抗震方案有明顯的優勢，主要表現在：

1)消能減震方案的周期較抗震方案有一定程度的增大，同時，小震下附加阻尼比2%，中震下附加阻尼比2.1%，有利于降低地震作用；

2)多遇地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，相較于抗震方案減小地震作用約33%(X向)、42%(Y向)；設防地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻充分耗能，屈曲約束支撐部分耗能，相較于剛性方案減小地震作用約36%(X向)、43%(Y向)；罕遇地震作用下，消能減震方案的黏滯阻尼墻繼續耗能，屈曲約束支撐基本進入屈服耗能，有效減小了主體結構構件的損傷，體現了良好的耗能機制。

綜上所述，本項目采用了消能減震方案：框架—屈曲約束支撐+黏滯阻尼墻結構體系，通過組合消能減震措施保證各個地震水準下結構的抗震性能。