組合減震在山地學校建筑中的設計分析

張志新

(山西五建集團有限公司,山西 太原 030013)

0 引言

近些年國內外地震越來越頻繁,2023年在2月6日土耳其連續發生兩次7級以上地震,之后同月又發生多次5級以上余震,造成嚴重的生命危險和財產損失。 因此建筑抗震的安全性及逐步提高結構的抗震性能成為眾多結構設計人員新的問題,《建設工程抗震管理條例》明確要求地震重點監視防御區的學校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。

本文主要介紹屈曲約束支撐(BRB)和黏滯阻尼器(VFD)的聯合使用及所達到的效果。常見的屈曲約束支撐在多遇地震下承受軸向壓力,BRB處于彈性,不發生屈曲,僅為主體結構提供剛度,但導致主體結構周期減少,地震作用相應增大,可能在控制位移方面有顯著效果,但在減震效果上沒有優勢。設防地震和罕遇地震下BRB開始屈服耗能,屈服后有穩定的承載力,提供剛度,減少主體結構的變形。

黏滯阻尼器(VFD)是通過為主體結構提供附加阻尼比,對地震作用進行耗能,減少主體結構的地震響應。但結構的附加阻尼比不能無限增大,隨著地震作用的增加,附加阻尼比可能會逐漸降低,罕遇地震下結構的變形控制效果一般。

BRB和VFD的聯合使用可以充分發揮兩種減震器的優點,BRB為提供結構抗側剛度,VFD提供結構阻尼,減少地震作用的同時能有效控制結構變形,為滿足設防地震時建筑能夠達到正常使用要求提供了一種方法。

1 工程概況

本工程位于山西省晉城市陵川縣崇文鎮城南社區、后川村、嶺常村,地貌為低中山,微地貌為山前緩坡。教學樓整體為L形建筑,總長140 m,寬度為20 m,依山體坡度進行建設,分為3個臺地,每個臺地高差3.9 m。通過設置抗震縫劃分為3個單體,本次僅介紹其中A區單體。單體為地上4層,無地下室,層高均為3.9 m,總高度16 m,結構體系為框架結構,基礎形式為獨立基礎。該工程的抗震設防烈度為7度[1-2],設計基本地震加速度0.10g,設計地震分組第三組,場地類別Ⅱ類,特征周期0.30 s,抗震設防類別為乙類,建筑結構安全等級一級(結構重要性系數為1.1),三維模型見圖1。

2 結構方案前期對比

因該項目位于地震重點監視防御區,因此按《建設工程抗震管理條例》需要采用隔震減震等技術,考慮項目所在地區為低烈度區,且場地類別較好,特征周期較小,所以考慮采用減震技術進行設計來滿足設防地震下正常使用的要求[3],充分優化結構的抗震性能,提高該結構地震下的安全性。表1為采用VFD和BRB+VFD兩種減震方案的初步計算情況,圖2為VFD方案,圖3為BRB+VFD方案。

表1 VFD和BRB+VFD兩種減震方案參數表

其中黏滯阻尼器(VFD)方案在結構地上2層—4層分別在X,Y方向布置三組VFD,阻尼器型號為VFD250,阻尼系數C為30 kN/(mm/s),阻尼指數為0.25,設計阻尼力為222 kN,設計位移21 mm。VFD+BRB方案在上述基礎上增設BRB,在地上2層—4層Y向布置,2層—3層每層三組,4層為兩組。芯材采用Q235B,屈服力為500 kN,屈服位移為3.7 mm,屈服后的剛度比為0.02。

通過初步計算分析,VFD方案在Y向層間位移角不滿足1/400的要求,同時層間位移比也超限較多,扭轉較為突出,同時出現多處梁柱配筋超筋的現象,說明Y向側向剛度不足,如果繼續增加梁柱截面,不僅不經濟,而且影響建筑使用功能,從室內看也不美觀。而通過在Y向設置BRB后,雖然周期減少8%,但層間位移角和層間位移比都有較大的改善,配筋也基本在合理范圍內,各項指標滿足規范要求,綜合考慮單純設置VFD并不合適,該項目按BRB+VFD方案進行設計。

3 主要設計內容及計算分析

3.1 確定山地建筑地震影響系數增大系數

該項目場地穩定性等級為基本穩定,但建筑的東側有高大邊坡,最大高差11 m,建筑離突出臺地邊緣的距離為16 m,參見圖4。因此需要根據《建筑抗震設計規范》[4]4.1.8當需要在強風化巖石的陡坡和邊坡邊緣不利地段建造乙類建筑時,除保證其在地震作用下的穩定性外,其水平地震影響系數最大值應乘以增大系數。增大系數計算方法按附錄進行計算。

其中,H=11 m;L1=16 m,L=11.7 m。根據4.1.8條文說明進行計算。

L1/H=1.45<2.5,附加調整系數ξ取值為1.0。

根據4.1.8條文中表2計算局部突出地形地震影響系數的增大幅度,其中局部突出臺地邊緣的側向平均坡降H/L=0.94,由于該場地主要為巖質地層,查表得局部突出地形地震動參數的增大幅度α=0.2。

根據條文4.1.8(2)公式計算放大系數λ=1+1×0.2=1.2。

由此可見,高突地形距離基準面的高度愈大,高處的反應愈強烈,另外邊坡的傾斜角度越大,即邊坡愈陡,其頂部的放大效應也會相應加大,建筑設計前期因綜合考慮場地因素,合理進行總圖規劃,避免出現高大邊坡陡坎的情況,既可以降低地震作用,節省主體結構造價,也能使場地使用的舒適度及安全性能提高。

3.2 結構計算分析

該工程在設計時按照《建設工程抗震管理條例》及導則(征求意見稿)進行減震目標的確定,在設防地震和罕遇地震作用下的減震目標[5-6],以及與消能減震器相連的構件和節點的性能目標及其設計方法如表2所示。

表2 與消能減震器相連的構件和節點的性能目標及其設計方法

具體設計步驟為:1)確定結構的附加阻尼比,確定消能減震器參數和數量,以及消能減震器的安裝位置及型式。2)計算附設減震器的減震結構在設防地震作用下的結構響應。3)進行彈性時程分析,復核附加阻尼比。4)罕遇地震作用下,進行彈塑性位移驗算,承載力不足的構件進行相應調整,最后完成與阻尼器相連的連接構件和結構構件的設計。

結構計算時反應譜分析主要以YJK進行分析,SAP2000進行反應譜分析(補充復核模型),彈塑性時程分析主要以SAP2000進行分析。

3.2.1 模型對比

采用SAP2000分析軟件對框架模型進行分析, 對比YJK非減震結構模型的質量、周期和振型分解反應譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角后差異很小,模型驗證通過(見圖5),結果如表3—表5所示。

表3 結構質量對比

表4 結構周期對比(前三階)

表5 結構地震剪力對比

3.2.2 地震波的選取

選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線作為分析BRB+VFD減震效果的地震波,考慮邊坡放大系數1.2的影響,選取的時候地震加速度峰值均相應進行了放大。七條地震波的反應譜曲線如圖6所示,地震波信息如圖7所示,七條地震波的加速度峰值如表6所示。非減震結構底部剪力對比表見表7,時程反應譜與規范反應譜曲線對比表見表8。

表6 七條地震波的加速度峰值

表7 非減震結構底部剪力對比表

表8 時程反應譜與規范反應譜曲線對比表

結果顯示,在對應于結構主要振型的周期點上地震波時程平均影響系數與規范反應譜影響系數相差不大于20%,所選地震波的基底剪力平均值大于反應譜計算結果的80%,滿足抗規第5.1.2條的要求。

3.2.3 阻尼器參數與減震器的模擬

1)黏滯阻尼器的模擬[7]:SAP2000模型中黏滯阻尼器采用非線性單元Damper模擬(見圖8)。阻尼系數C為30 kN/(mm/s),阻尼指數為0.25,設計阻尼力為222 kN,設計位移21 mm,分析方法為FNA快速非線性法,7度(0.1g)多遇地震加速度峰值420 mm/s2,設防地震加速度峰值1 200 mm/s2。

2)BRB的模擬:SAP模型中BRB采用非線性單元Plastic(Wen)模擬(見圖9)。

3.2.4 多遇及設防地震彈性時程分析

綜合表9,圖10,表10可知,減震結構在中震作用下,結構層間位移角為:X向最大為1/625,Y向為1/702;均滿足規范要求,且滿足原定減震目標。同時,通過減震前后的層間位移、層間位移角的對比結果可知,結構在布置阻尼器后,層間位移降低,保護了結構主體安全。

表9 樓層剪力對比表 kN

3.2.5 多遇及設防地震BRB出力及位移

分析結果得知,所有BRB在多遇地震下的最大出力為157 kN小于BRB的屈服力,最大位移1.2 mm均小于屈服位移,BRB滿足“小震彈性”的設計目標。設防地震下的最大出力為484 kN,但有兩處最大位移4.0 mm大于屈服位移3.7,其余位移均小于屈服位移,因此絕大部分BRB在中震下的受力均小于BRB的屈服力,位移均小于屈服位移。

表10 樓層層間位移及層間位移角對比表

3.2.6 附加阻尼比的計算

附加阻尼比的計算可按GB 50011—2010建筑抗震設計規范(以下簡稱《抗規》)的第12.3.4條進行計算,設防地震作用下,黏滯阻尼器滯回耗能,為結構提供附加阻尼比,七條地震波在X向平均結構附加阻尼比為3.77%,Y向平均結構附加阻尼比為3.53%。各工況計算結果如表11,表12所示,均超出期望的附加阻尼比3%。

表11 X方向結構附加阻尼比計算(設防地震)

表12 Y方向結構附加阻尼比計算(設防地震)

3.2.7 罕遇地震彈塑性時程分析

1)通過對罕遇地震作用下的彈塑性位移驗算,對承載力不足的構件進行相應調整,最后完成與阻尼器相連的連接構件和結構構件的設計。經過計算結構層間位移角滿足最大層間位移角限值1/100的要求。計算結果見表13。

表13 減震結構層間位移角

2)減震器在大震下的出力及位移:分析得出各黏滯阻尼器最大阻尼力222 kN<極限阻尼力232,最大變形21 mm<極限變形32 mm,均滿足設計的黏滯阻尼器參數要求。各BRB出力平均值最大520 kN,變形最大12 mm,均進入屈服階段。

3)結構出鉸情況:在罕遇地震作用下,允許結構部分構件進入塑性,結構耗能與結構出鉸情況、出鉸順序有關。圖11,圖12列出了T1號地震波作用下的出鉸情況,來說明結構進入塑性情況。由圖可知,罕遇地震作用下框架梁優先出現梁鉸,而后柱子出現柱鉸,但只有部分構件進入塑性,出現塑性鉸結構總體滿足“強柱弱梁”的要求,實現了“大震不倒”的目標。

4 結語

1)通過對結構的整體分析,聯合設置屈曲約束支撐(BRB)和黏滯阻尼器(VFD)[8],可以通過黏滯阻尼器耗散地震能量,減少結構地震響應,通過BRB提高結構側向剛度,控制結構位移,基本可以實現設防地震結構主體彈性,BRB保持彈性。2)通過性能化設計后,VFD+BRB聯合減震能實現各階段不同的性能目標,保證建筑正常使用。3)低烈度區下的乙類建筑可以通過聯合減震來達到設防地震下正常使用的要求,同時保證大震不倒塌的要求,提供一種值得參考的設計方法。