兩種減震產品在某大學框架結構體系中的分析對比

張巖壽，劉燕茹，李建軍

(天津大學建筑設計規劃研究總院有限公司，天津 300073)

1 概述

我國處在世界上的兩大地震帶：環太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶交匯位置，地震多發頻發。學校類建筑結構作為社會中特殊的公共建筑，直接關系到學生群體的切身利益，有著至關重要的作用。按照GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準中3.0.3條的要求，大學類建筑為標準設防類，允許按照本地區抗震設防烈度確定其抗震措施和地震作用，在2021年《建設工程抗震管理條例》公布并施行之前，除個別地區外，我國大部分地區也基本按照標準設防的要求控制大學類建筑的設計。

2021年7月19日，中華人民共和國國務院令第744號明確《建設工程抗震管理條例》自2021年9月1日起施行，根據此條例第十六條中的要求，學校類建筑應當按照不低于重點設防類的要求采取抗震設防措施，位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的新建學校應當按照國家有關規定采用隔震減震等技術，保證發生本區域設防地震時能夠滿足正常使用要求。此法令的出臺，一方面提高了大學類建筑的抗震設防要求，一方面也明確了其采用隔震減震技術，另外要求設防烈度下正常使用的要求，更顯著提高了大學類建筑的抗震性能。

由于地震具有隨機性，基于傳統抗震理論設計的結構在大震下不能保證其安全性，在設防地震或高于設防地震下，建筑主體結構、內部裝飾及機電設備的破壞難以修復繼續使用，而對于要求在設防地震下滿足正常使用的建筑，采用傳統的抗震方案，顯然是不合適的，而合理有效的途徑是結構安裝阻尼裝置，由減震設備和主體結構共同承擔地震作用，以減輕結構的地震損傷。

目前，常用的結構減震產品有屈曲約束支撐(簡稱 BRB)，金屬消能器(簡稱 MD)，摩擦消能器(簡稱 FD)，黏滯消能器(墻)(簡稱 VFD)，黏彈性消能器，調諧質量消能器(簡稱 TMD)等[1]，本文將以某大學美術樓為例，分別采用BRB方案和VFD方案進行設計，通過計算對比，分析兩種方案的優劣。

2 工程概況

某大學美術樓位于高烈度區，地震設防烈度為8度(0.2g)，地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類場地，特征周期為0.45 s。該建筑地上5層，其中，首層層高5.1 m，2層～5層層高為4.2 m，室內外高差為0.3 m，建筑總高度為22.2 m。平面東西方向總長59 m，南北方向總長56 m，主要柱網尺寸為8.4 m×8.7 m，8.1 m×8.7 m。

該建筑為平面呈“L”形，存在平面凹凸不規則，樓板局部不連續，平面扭轉不規則等三項不規則，應采用空間結構計算模型，采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型并計入樓板局部變形的影響，對結構扭轉較大的部位采用局部的內力增大系數。該建筑采用鋼筋混凝土框架結構體系。主要結構構件尺寸詳見表1。建筑效果圖見圖1。

表1 主要結構構件尺寸

3 減震設計方案及對比

3.1 計算模型及計算參數

在結構設計中，地震反應譜計算采用盈建科建筑結構計算軟件(YJK-A(4.0.0版本))，彈塑性地震分析采用Sausage2021版進行，圖2，圖3為相關結構計算模型。

為保證兩者軟件模型的準確性，分別采用兩種軟件進行結構基本分析，質量對比詳見表2。因BRB會增加結構剛度[2-3]，影響結構周期，兩軟件周期對比詳見表3，表4。

表2 YJK與Sausage質量對比情況

表3 YJK與Sausage模態分析結果對比(BRB方案)

表4 YJK與Sausage模態分析結果對比(VFD方案)

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范及JGJ 297—2013建筑消能減震技術規程相關規定，兩軟件模型計算結果差別不大，可以進行下一步分析。另，選取RH2TG045，TH058TG045(EL_MAYOR-CUCAPAH_4-4-2010_TAMAULIPAS)，TH086TG045(KOBE_JAPAN_1-16-1995_SAKAI)三條地震波分別對兩方案進行彈塑性時程分析。地震動反應譜曲線如圖4所示，根據地震反應譜曲線計算，兩計算模型在結構主要周期點上，地震波平均反應譜與規范反應譜相差不超過20%，符合規范要求[4]。

本工程設防地震計算采用彈塑性時程分析方法，采用雙向地震波輸入進行計算，其主方向地震波加速度峰值為200 cm/s2，次方向地震波加速度峰值為170 cm/s2。

3.2 BRB設計方案

本工程采用了40組BRB，采用單斜形布置方式，主要參數如表5所示，圖5為典型平面BRB布置，圖6為BRB方案的Sausage三維計算模型圖。

表5 BRB設計參數

3.3 VFD設計方案

本工程采用了40組VFD，采用懸臂墻布置方式，主要參數如表6所示，圖7為典型平面VFD布置，圖8為VFD方案的Sausage三維計算模型圖。

表6 VFD設計參數

3.4 BRB與VFD方案比較

1)結構樓層位移：在設防地震下兩方案結構彈塑性樓層位移如圖9，圖10所示。

由圖9,圖10可知，在結構構件尺寸均相同的前提下，兩方案均能滿足最初設定的中震彈塑性位移角限值(1/300)，BRB由于既能提供剛度也能提供附加阻尼比[5-7]，該方案彈塑性層間位移角略小于VFD方案。

2)結構附加阻尼比：兩方案提供的結構附加阻尼比如表7所示。

表7 結構附加阻尼比 %

根據表7所示，在消能器數量相同的前提下，VFD方案在設防地震下提供的結構附加阻尼比顯著大于BRB方案，從構件層面分析，VFD典型消能器的滯回曲線飽滿度明顯高于BRB典型消能器(見圖11，圖12)。

在設防地震下，兩方案結構構件耗能所能提供的阻尼比基本相同，但均有一定程度的彈塑性開展。結構豎向構件的性能水平如圖13，圖14所示，在設防地震下，兩方案豎向構件均無中度或重度損壞，而BRB方案中23.7%的豎向構件發生輕度破壞，相對來講，VFD方案中僅有14.4%發生輕度破壞，兩方案均能滿足最初設定的僅部分構件發生輕度破壞的性能目標，但VFD方案對于結構構件的保護作用明顯好于BRB方案。

3)樓面加速度對比：在設防地震下，BRB方案結構樓面最大加速度值約為0.356g，相對應的，VFD方案結構樓面最大加速度值約0.307g，兩方案計算結果均能滿足最初設定的0.45g的樓面加速度限值的要求，但VFD方案對樓面加速度的控制明顯好于BRB方案。

4)經濟性對比：兩方案的地上部分的結構鋼筋用量如表8所示，可知，采用VFD方案時地上部分的結構鋼筋用量略低于BRB方案，考慮到兩種消能器的單價及連接部件、子結構等的差異，兩種方案的最終工程整體造價差異不大。

表8 結構鋼筋用量表

4 結論

1)對于本工程BRB方案及VFD方案均能實現預設的設防地震下的性能目標。

2)VFD方案在保護主體結構，控制結構樓面加速度方面較BRB方案更有優勢，但BRB在提高結構剛度，控制結構樓層位移方面更有效。