某幼兒園設防地震下減震分析

摘要：本項目為成都市某幼兒園項目。首先根據減震目標通過非線性時程分析獲得附加有效阻尼比，然后采用振型分解反應譜法進行中震彈性、不屈服計算，并對結構進行彈性時程分析和動力彈塑性時程分析。結果表明結構滿足制定的減震目標，在設防地震下能夠滿足正常使用的要求。

關鍵詞：設防地震； 性能目標； 阻尼比； 消能器； 減震分析

中圖分類號：TU352.1文獻標志碼：A

1項目概況

本項目為成都市某幼兒園項目，通過抗震縫將建筑分為3棟獨立混凝土框架結構，局部有1層地下室，地上為4層，地下室底板頂標高為-5.250 m，地面以上各層層高均為3.9 m，地面以上房屋高度為15.70 m。地下使用功能主要為車庫及人防，地上房屋使用功能為教室、辦公室、多功能活動室等相關教學用房等，設計使用年限50年（圖1）。結構單元劃分及典型平面布置如圖1所示。根據《建設工程抗震管理條例》［3］和四川省住房和城鄉建設廳“關于認真貫徹落實《建設工程抗震管理條例》的通知”，結合項目特點，本項目采用墻式粘滯消能器減震技術，保證結構在設防地震下能夠滿足正常使用的要求，并提高抗震性能。

2減震目標

根據《建設工程抗震抗震管理條例》實施意見，結構減震目標分為兩個部分，一部分為對結構的層間位移值的要求，一部分為構件的性能設計。結構在設防地震和罕遇地震下的層間位移角減震目標如表1所示。

按照GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》（以下簡稱為《抗規》）附錄M對本項目進行抗震性能化設計，本結構為框架結構，關鍵構件、普通豎向構件、普通水平構件的定義及其在各階段的要求見表2。

3設防地震作用下減震分析

設防地震作用下，采用兩個模型進行分析，模型一為考慮附加阻尼，不考慮消能器，采用振型分解反應譜法（等效彈性方法）進行分析，振型分解反應譜法采用 SATWE 程序進行分析，用等效彈性方法計算各構件內力，并遵照《抗規》附錄 M 相應要求驗算構件強度，考察其是否能達到預期的性能目標［1］；模型二為不考慮附加阻尼，取結構本身的阻尼0.05，考慮粘滯消能器的非線性作用，進行非線性時程分析和動力彈塑性時程分析。

3.1設防地震下時程分析結果

結構的基底剪力如表3～表5所示，剪力與CQC的比值為2.11～2.32倍之間，CQC結果是未考慮消能阻尼器的結果，證明結構減震效果較好。

3.2附加有效阻尼比的計算

本項目采用多種計算方法計算結構的附加阻尼比。

（1）采用SATWE軟件，采用CQC振型分解反應譜法進行分析，結構阻尼比通過迭代計算結構附加阻尼比。

（2）采用SAUSAGE軟件，采用FNA法進行時程分析，通過規范算法，獲得結構的附加阻尼比。

（3）采用SAUSAGE軟件，采用FNA法進行時程分析，通過能量曲線對比法，獲得結構的附加阻尼比。提取數據三種計算方法的附加阻尼比如下表所示，實際計算時附加阻尼比

偏于保守，取其中最小值作為計算的附加阻尼比。實際附加阻尼器取三者計算值的較小值，并考慮消能器性能偏差，連接安裝缺陷的不利影響，實際取值按計算值的90%計算，且附加給結構的有效阻尼比小于25%（表6）。

3.3附加阻尼下結構的對比分析

結構采用兩個模型，一個模型為直接輸入附加阻尼（不考慮粘滯消能器）進行結構的振型反應譜分析計算，一個為直接考慮粘滯消能器的非線性的時程分析，時程分析的結果取為7條地震波的平均值。兩者的樓層剪力對比如圖2～圖4所示，從圖中可以看出，采用附加阻尼的層間剪力均比采用非線性時程分析的層間剪力大，證明附加阻尼取值合理，結構偏于安全。B區在構架層存在存在剪力略小于時程結果的情況，但相差較小，在10%以內。在計算時對該層的地震剪力直接放大1.2倍。

3.4設防地震等效彈性下的參數取值

設防地震作用下，采用振型分解反應譜法（等效彈性方法）進行分析（表7）。振型分解反應譜法采用SATWE程序進行分析，用等效彈性方法計算各構件內力，并按照《抗規》M1.2-2，M1.2-3的相應要求驗算構件，考察其是否能達到預期的性能目標［1］。

3.5設防地震下的計算結果

設防地震下整體模型計算結果見表8～表10。

從表8～表10可以看出，單個結構單元的位移角均小于1/400，滿足設防地震下正常使用的要求，結構的剪重比值合理，結構抗傾覆系數遠大于1.5，具有較大的安全儲備。

在“中震彈性”下進行關鍵構件的抗震截面承載力及配筋計算；圖5為底層柱（關鍵構件）的配筋圖，從圖中可以看出，雖然配筋較多遇地震下大較多，但是基本在合理的范圍內，均未出現超配筋情況。證明關鍵構件可以滿足“中震彈性”及《抗規》附錄M中性能2的水準要求，滿足設防地震下的正常使用要求。在“中震不屈服”下進行普通豎向構件、普通水平構件的抗震截面承載力及配筋計算；圖6為二層梁柱的配筋圖，從圖6中可以看出，雖然配筋較多遇地震下大較多，但是基本在合理的范圍內，均未出現超配筋情況。證明普通豎向構件、普通水平構件可以滿足“中震不屈服”及《抗規》附錄M中性能3的水準要求，滿足設防地震下的正常使用要求。

3.6設防地震下的動力彈塑性時程分析

從原來的7條地震波中選取三條地震波進行考慮動力彈塑性時程分析，地震波組對應的最大結構層間位移角如表11所示。該位移角滿足層間彈塑性位移角限值1/400的要求。

結構的關鍵構件及消能子結構的性能水準均在輕微損壞，其他豎向構件僅為為輕度損壞。輕微損壞并不是構件發生了損壞，而是軟件設定有一點損傷即認為發生了損壞，圖7

3.7設防地震下消能器耗能分析

表12、表13為結構三個單元在動力彈塑性分析中的耗能分析，在設防地震作用下消能器與地震總輸入能量的比值均大于20%，證明結構消能器減震效果明顯，有效地減小了結構的地震作用，提高了結構抗震性能。

4結論

本文選用SATWE軟件采用振型分解反應譜法進行中震彈性、不屈服計算，結合《抗規》M1.2-2，M1.2-3的相應要求驗算構件，考察其是否能達到預期的性能目標，進行結構構件性能計算分析［1］。并采用SAUSAGE軟件進行結構彈性時程分析和動力彈塑性時程分析，得出結論：

（1）結構各個單元在設防地震下的等效彈性和動力彈塑性位移角均小于1/400，滿足設防地震下正常使用的要求。

（2）結構的關鍵豎向構件能滿足“中震彈性的要求”，滿足《抗規》公式M1.2-2的要求，滿足抗規附錄M中性能2的要求。

（3）結構的普通豎向構件，水平構件能滿足“中震不屈服的要求”，滿足《抗規》公式M1.2-3的要求，滿足抗規附錄M中性能3的要求。

（4）通過對比是否設置消能阻尼器兩個模型以及考察消能器在地震中的耗能比例，證明設置消能阻尼器后結構減震效果較好。

綜上，結構在設防地震下能夠滿足正常使用的要求。

參考文獻

［1］建筑抗震設計規范：GB 50011-2010［S］.2016年版 北京：中國建筑工業出版社，2016.

［2］高層建筑混凝土結構技術規程： JGJ 3-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［3］建設工程抗震管理條例［S］.北京： 中國法治出版社， 2021.

［4］孫洋， 熊峰. 某超高層結構抗震性能設計［J］. 建筑結構，2013，43（S1）.

［5］蘭盛磊. 某300米超高層建筑結構基于性能的抗震設計［D］. 成都： 西南交通大學，2014.

［作者簡介］孫洋（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為結構設計。