谈工程结构减震控制分析与应用

王 宾

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

谈工程结构减震控制分析与应用

王 宾

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

对主体结构采用消能减震技术前后分别进行建模计算，并采用弹塑性时程分析，得出了结构在多遇、设防和罕遇地震作用下的层间位移、层间地震剪力，通过对数据的对比，可以看出减震控制装置在工程中应用的可行性。

消能减震，屈曲约束支撑，位移，地震剪力

0 引言

随着社会的发展和经济实力的提高，越来越多造型各异的建筑物出现在全国各地。这类建筑物通常体型不规则，空间高度和跨度比较大，对建筑的抗震性能有较高要求。传统的抗震设计方法是通过加大梁、柱截面，减少梁、柱间距等措施来达到增加结构整体刚度，降低地震对结构造成破坏的目的。然而这些措施又往往与建筑的使用要求相矛盾，并且存在材料上的大量浪费。现代结构概念引进了消能减震技术，在工程结构中安装减震控制装置，由控制装置与结构构件共同承担地震等外部荷载作用，进而达到调节和减轻结构在地震等作用下的动力响应，实现保护主体结构的目的。下面笔者结合实际工程对减震控制装置的应用做一个简单的分析和介绍。

1 工程概况

本工程位于河南省鹤壁市，结构抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度：0.20g，设计地震分组：第二组，场地土类别为Ⅱ类。结构形式为框架结构，总高度38.300 m。图1为该项目的三维图。

原结构部分楼层层间位移角不满足规范1/550的限值要求，由于建筑使用功能的要求，无法加大构件截面和增设剪力墙，为保证结构在8度地震作用下仍具有良好的抗震性能，拟在结构中应用消能减震技术，使结构在多遇和罕遇地震作用下能满足GB 50011—2010建筑抗震设计规范的限值要求，提高整体结构的抗震安全性能。

消能减震技术主要是通过在结构的某些部位(节点、联结缝、层间空间等)增设减震装置，或把结构中某些非承重构件(连接件、剪力墙、支撑等)设计成耗能构件，为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼。在地震作用下，这些耗能部件率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量耗散输入结构的能量，减轻主体结构进入非弹性状态的可能，从而更好地保护主体结构的安全。

本工程中采用的消能减震装置为屈曲约束支撑。屈曲约束支撑是位移型消能器，能有效提高结构的抗侧刚度，且能增加大震下结构的耗能能力。在小震作用下处于弹性状态，不能够消能减震，但它给结构增加了一定的侧向刚度，减小了结构小震位移，这点类似普通钢支撑；中大震下，屈曲约束支撑发生屈服(但不发生屈曲失稳)，起到消能减震作用。

2 输入地震动评价

2.1 地震动输入参数选取

1)地震波的数量。按GB 50011—2010建筑抗震设计规范要求不少于7条地震波，本工程设计拟采用7条地震波。其中，人工合成加速度时程曲线2条(RH1波、RH2波)，天然地震记录地震波5条(ELC波、TAF波、TH2波、TH3波、TH4波)。

2)地震波的选用要求。a.地震波特性应接近Ⅱ类场地，场地卓越周期Tg=0.40 s。b.平均反应谱曲线与规范的反应谱曲线在统计意义上相符。在对应周期点上与规范反应谱曲线平均相差不大于20%。

3)地震波的加速度峰值。设防烈度：8度(0.20g)；多遇地震：70 cm/s2；设防地震：200 cm/s2；罕遇地震：400 cm/s2。

2.2 输入地震动评价

《建筑抗震设计规范》规定，弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力均超过振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值均大于振型分解反应谱法计算结果的80%。从结构时程分析结果可以看出，本工程所采用的5条天然地震动和2条人工地震动，每条地震动时程曲线计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，均不大于振型分解反应谱法计算结果的135%；7条地震动时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，均不大于振型分解反应谱法计算结果的120%。时程分析所采用的地震动满足《建筑抗震设计规范》要求。

X向，Y向非减震结构时程和反应谱层间地震剪力对比见表1，表2。

表1 X向非减震结构时程和反应谱层间地震剪力对比 kN

表2 Y向非减震结构时程和反应谱层间地震剪力对比 kN

3 结构减震计算与分析

3.1 减震控制装置的布置和选型

经计算，共选用32根屈曲约束支撑，其中，X方向布置16根，Y方向布置16根，屈曲约束支撑设置在第4层～第6层的梁柱中，屈曲约束支撑的具体安装位置考虑以不影响建筑使用空间为原则，具体安装位置如图2所示(椭圆标记)。第4层采用双斜撑的布置方式，5层，6层采用单斜撑布置方式。屈曲约束支撑设计参数与数量见表3。

表3 屈曲约束支撑设计参数与数量

3.2 结构水平剪力计算

由表4，表5结构X向、Y向层间剪力计算对比结果可以看出，在多遇地震作用下，减震结构与非减震结构相比，结构层剪力有一定幅度衰减，X方向最大减震效果达32.49%，Y方向最大减震效果达34.23%；在设防地震作用下，减震结构与非减震结构相比，结构层剪力亦有一定幅度衰减，X方向最大减震效果达40.10%，Y方向最大减震效果达39.92%。可见，结构中增设屈曲约束支撑后，使结构层剪力减小，有效提高了结构在地震作用下的抗震性能。

表4 多遇地震下模型X向层间剪力对比

表5 多遇地震下模型Y向层间剪力对比

3.3 结构水平位移计算

由表6，表7减震后结构X向、Y向层间位移角倒数的计算值可以看出，在多遇地震作用下，非减震结构部分楼层弹性层间位移角不满足规范的要求，在结构中设置屈曲约束支撑以后，减震结构中X向层间位移角减小，满足规范1/550的限值要求，最大减震效果达72.28%，Y向层间位移角亦有所减小，最大减震效果达到73.58%；在设防地震作用下，减震结构中X向层间位移角减小，最大减震效果达到74.49%，Y向层间位移角亦有所减小，最大减震效果达到75.10%；在罕遇地震作用下，结构的层间位移角限值均能够满足规范1/50的限值要求，减震结构中X向层间位移角减小，最大减震效果达到76.05%，Y向层间位移角亦有较大幅度地减小，最大减震效果达到77.29%。可见，在结构中增设屈曲约束支撑，能有效地减小结构的层间位移角，从而提高结构的抗震性能。

表6 多遇地震下X向层间位移角倒数(1/θ)

表7 多遇地震下Y向层间位移角倒数(1/θ)

3.4 屈曲约束支撑耗能性能

图3显示了结构在地震波TH3作用下部分屈曲约束支撑的滞回曲线。由图3a)和图3b)可知，在多遇地震作用下，屈曲约束支撑基本不耗能，在结构中仅起钢支撑的作用；由图3c),图3d)可知，在设防地震作用下，屈曲约束支撑的滞回曲线比较饱满，已经逐步进入耗能状态；由图3e),图3f)可知，在罕遇地震作用下，其滞回曲线十分饱满，说明屈曲约束支撑在罕遇地震下具有优越的耗能能力，衰减地震输入结构中的能量，进而提高结构的抗震安全储备。

4 结语

1)通过对该工程结构进行多遇、设防和罕遇地震作用下的减震控制动力时程分析，可以看到在结构中设置屈曲约束支撑，能有效降低其在多遇、设防和罕遇地震作用下的动力响应，在结构层剪力和层间位移角方面较原结构都有较大降幅，大大提高结构的抗震性能与抗震安全储备。

2)消能减震装置由于具有概念简明、减震机理明确、减震效果明显、构造简单、安装和维护方便、对结构的建筑功能和日常使用功能影响较小、适用范围广等优点，近年来已广泛应用于工程结构抗震控制中，取得了良好的经济效益和社会效益。与传统的结构抗震体系相比较，结构消能减震体系有如下的优越性：a.传统的结构抗震体系是把结构的主要承重构件(梁、柱、节点)作为耗能构件，地震中受损坏的是这些承重构件，甚至导致房屋倒塌。而消能减震体系则是以非承重构件作为耗能构件或另设消能器，它们的损坏就是保护主体结构，所以是安全可靠的。b.震后易于修复或更换，使建筑结构物迅速恢复使用。

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Discussion on seismic dissipation control analysis and application of engineering structure

Wang Bin

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

The paper carries out modeling calculation of major structure by applying seismic dissipation technology beforeward and afterward, finds out hierarchical displacement and hierarchical seismic shearing under various seismic, preventive seismic and rare seismic by using elastic time-history analysis, compares data, and finally proves the feasibility of applying energy dissipation device in engineering.

energy dissipation, Buckling-Restrained Brace(BRB), displacement, seismic shearing forces

2014-12-16

王 宾(1975- )，男，工程师

1009-6825(2015)06-0042-03

TU352

A