臨沂學校宿舍樓減震設計

鄭 敏,諶 文

(1.湖北經濟學院工商管理學院,武漢 430070;2.武漢建筑設計院,武漢 430072)

隨著計算機軟硬件技術的發展，以前那些需要借助國外軟件計算分析的問題，因為國內外結構規范的差別以及軟件操作習慣的不同，存在著難上手和軟件操作繁瑣麻煩等等缺點。結構理論及相關的結構軟件應用遠未完善,比如大震動力彈塑性分析計算效率、消能減震分析計算效率等問題。現在這些存在的問題正在得到改善，比如建研院PKPM系列軟件簡化了消能減震的分析計算過程，大大地推動消能減震技術在建筑工程中的應用。與相應的非消能減震結構相比，消能減震結構可大幅減少地震反應，這樣既節省了造價，又增加了結構抗震安全性。2021年我國新頒布的《建設工程抗震管理條例》指出：位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的新建學校、幼兒園、醫院、養老機構、兒童福利機構、應急指揮中心、應急避難場所、廣播電視等建筑應當按照國家有關規定采用隔震減震等技術，保證本區域發生設防地震時能夠滿足正常使用要求。

1 工程概況

該工程為山東臨沂市區某學校宿舍樓，建筑總高度18.0 m，上部結構5層，無地下室。抗震設防烈度為8度，反應譜特征周期為0.40 s，設計地震分組第二組，Ⅱ類場地峰值加速度為0.20g。根據當地抗震有關規定，該工程抗震設防應在國家地震動參數的評價結果上提高一檔考慮。故峰值加速度應調整為0.30g。學校宿舍樓地震作用應按本地區抗震設防烈度(8度0.30g)進行計算和分析，按提高一度(9度)采取抗震構造措施。該工程框架抗震等級為二級，抗震構造措施為一級。

2 消能減震設計

2.1 減震阻尼器的選擇

該工程所在地山東臨沂市屬于地震高烈度區、水平地震作用大，承重構件材料利用效率較低。減震結構是指對于作用于建筑結構上的振動外力，利用設置在結構內的減震阻尼器的衰減能量吸收能力控制結構響應的結構方法，來達到預期防震減震要求。

常見的減震裝置可分為位移型阻尼器和速度型阻尼器兩大類。對多層框架結構，選擇金屬剪切型阻尼器經濟效果最好，VFD阻尼器價格高，且容易出現漏油現象，漏油后需更換。受房屋建筑平面及設備條件限制，該工程擬采用VFD阻尼器，這種阻尼器耗能效率高，且不增加結構剛度，不會改變結構的自振周期。常見的VFD阻尼器見圖1。該工程采用的阻尼器主要力學參數見表1。

表1 學校宿舍樓黏滯阻尼器力學參數

2.2 減震目標確定方法

當以控制結構位移為主要目標時，可以通過試算的方式初步確定附加阻尼比需求。假定非減震結構的阻尼比為ζ0，小震下的最大層間位移角為1/Δ0，減震結構的目標位移為1/Δ1，假定總阻尼比為ζ1時能夠滿足位移要求，則在SATWE中輸入結構阻尼比為ζ1，計算后得到最大層間位移角為1/Δ′1，若1/Δ′1和1/Δ1不夠接近，則調整ζ1直至1/Δ′1和1/Δ1足夠接近。

當以控制結構基底剪力為主要目標時，可以利用規范反應譜的阻尼調整系數公式進行估算。根據《抗規》5.1.5條，對某一周期T

(1)

當Tg

(2)

(3)

(4)

對于一般砼框架，η2=1，ζ=0.05，γ=0.9，就可推出減震后與減震前地震影響系數比值β

(5)

由于一般多層框架結構多屬于自振周期介于Tg和5Tg之間，且該工程Tg=0.40 s，T=0.71 s，非減震結構最大層間位移角約為1/462，可由β=462/550=0.840，利用上面式(2)～式(5)，計算減震結構目標阻尼比ζ，再算出附加阻尼比Δζ=ζ-0.05。故可推出該工程的目標阻尼比ζ=0.10，附加阻尼比Δζ= 0.05。

2.3 消能減震阻尼器參數與布置

VFD阻尼器的阻尼力、阻尼系數、阻尼指數和活塞運動速度之間的關系可用下面公式表示

Fd=CV|V|α

(6)

式中，Fd代表阻尼力，kN；CV為阻尼系數，kN/(mm/s)；V代表阻尼器活塞相對阻尼器外殼的運動速度，mm/s；α為阻尼指數。

在多遇地震和風荷載作用下，減震構件效率越高，α越小，減震效果越好；在中大震作用下，減震構件效率越低，α越大，對于減震構件子結構部分就越容易滿足大震不屈服要求。α建議取值0.2～0.5，當α越小，產品性能及耐久性更加難以保障，且減震構件制作及加工要求將大大提高。該工程阻尼器參數取值見表1。

由抗規12.3.4條，給出的附加有效阻尼比計算公式(7)估算所需消能器的數量

(7)

Ws=(1/2)∑Fiui

(8)

式中，εa代表消能減震結構的附加有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移下Δuj往復循環一周所消耗的能量；Ws代表設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能；Fi為質點i的水平地震作用標準值；ui為質點i對應于水平地震標準值的位移。

當確定目標附加阻尼比后，即可以得到每層的受力(有害)層間位移。這樣可以由預計布置消能器樓層的有害層間位移，估計每個消能器的耗能，這里要考慮到有害層間位移和消能器兩端相對位移的關系。注意，當從SATWE計算結果中提取相關數據時，不應采用公式(8)計算結構整體應變能。

減震構件要提高效率，按上面公式(6)，就應設法增大阻尼器的V值。阻尼器最常見布置型式為直接連接型：斜撐型、墻型、剪力桿型。增幅機構型是由兩根分別鉸接的斜撐與一根阻尼器組合而成的減震形式，這種形式利用杠桿原理可賦予阻尼器2～3倍的層間位移量，這種類型相當于增加V值。所以這類的減震效率高，但實際工程很少采用，因為其造價太高，對施工難度要求高。常見的人字型消能支撐、單向消能支撐都屬于斜撐型。單向支撐的減震效率比人字撐的低些，但支撐總用鋼量與人字撐接近，且連接簡單，施工較方便。實際方案的選擇應根據甲方、施工方等各方面要求來合理選擇，減震構件的支撐型式對造價的影響其實不大。

減震構件平面位置可根據建筑需要靈活選擇，但應盡量“對稱、均勻”，宜使結構在兩個主軸方向的動力特性相近，且每層布置數量宜為偶數。在豎向布置上，減震構件當只是在某層設置較多時，該層的層間位移雖然可以降低，但有時會使其它層的層間位移增加。因此宜使結構沿高度方向剛度均勻。同時阻尼器的布置，應便于檢查、維護和替換。該工程沿結構的兩個主軸方向和各層總共設置32套VFD阻尼器，其型號、數量、位置按照規范提出的原則，進行優化調整后確定。該工程VFD阻尼器標準層布置見圖2。

3 結 論

類似工程的對比表明，山東臨沂這類所謂高烈度抗震設防地區的減震結構布置，可先通過論文公式(1)～式(5)來定量確定減震結構目標阻尼比，再以最大層間位移角滿足規范限值為條件，遵循阻尼器的合理布置原則，通過計算分析，最后確定VFD阻尼器參數以及支撐形式。后續將進行該減震結構的小震彈性時程分析、大震動力彈塑性分析計算。