剪力墙结构减震设计实例

梁 鹏 花

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)



剪力墙结构减震设计实例

梁 鹏 花

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

简述了建筑消能减震的设计原理，针对某剪力墙工程的结构受力特点，探讨了在连梁处布置金属剪切型阻尼器的结构设计方法，以有效提高结构的抗震性能。

剪力墙，消能减震，阻尼器，连梁

0 引言

近年来，随着对建筑工程减震隔震技术研究的不断深入，我国部分地震高烈度地区开展了工程应用工作。一些应用了减震隔震技术的工程经受了汶川、芦山等地震的实际考验，保障了人民生命财产安全，产生了良好的社会效益。

根据住房和城乡建设部(建质[2014]25号)《住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见(暂行)》的精神和山西省住房和城乡建设厅(晋建质字[2014]115号)《山西省住房和城乡建设厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知》中的有关规定，抗震设防烈度8度区、地震重点危险区的学校和幼儿园的新建教学用房、学生宿舍、食堂以及医院的新建医疗建筑，必须采用减隔震技术。本工程位于抗震设防烈度8度区，且使用功能为学生宿舍，应采用减隔震技术进行本工程抗震设计。

1 建筑消能减震设计原理

消能减震设计指在房屋结构中适当设置消能器，通过消能器的相对变形和相对速度提供附加阻尼，以消耗输入结构的地震能量，达到预期防震减震要求。其实现方法是在结构中某些相对变形较大的部位安装消能装置或者将某些非承重构件设计成消能构件，通过消能装置和消能构件大量消耗地震输入能量，达到减震目的。结构中合理布置消能器以达到预定减震效果。

建筑消能减震技术经过多年应用已成为成熟技术。建筑消能减震设计按照国家规范GB 50011—2010建筑抗震设计规范及相应的行业标准进行。

2 消能器分类

建筑消能部件可由消能器及斜撑、墙体、梁等支承构件组成。消能器分为速度相关型、位移相关型和其他类型。

1)速度相关型。

消能器的耗能能力与消能器两端的相对速度有关的消能器，如粘滞消能器、粘弹性消能器等。

2)位移相关型。

消能器的耗能能力与消能器两端的相对位移有关的消能器，如金属消能器、摩擦消能器和屈曲约束支撑等。

3)复合型。

消能器的耗能能力与消能器两端的相对位移和相对速度有关的消能器，如铅粘弹性消能器等。

3 本工程消能减震设计

3.1 工程概况

本工程地下2层，地上18层。建筑物总高度为52.750 m，总长度为67.700 m，总宽度为16.900 m，主体结构采用钢筋混凝土剪力墙结构，图1为标准层剪力墙布置图。

本工程抗震设防烈度：8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第1组，特征周期为0.45 s。建筑抗震设防类别为丙类，剪力墙抗震等级为二级。建筑场地类别为Ⅲ类。原结构阻尼比为5%。

3.2 结构特征

本工程为剪力墙结构。由于剪力墙连梁两端墙肢的不均匀压缩，会引起连梁两端的竖向位移差，并将在连梁内产生内力。传统的剪力墙结构抗震设计通过剪力墙连梁的往复塑性变形来耗能。剪力墙中的连梁在地震水平荷载作用下会出现交叉裂缝，并形成塑性铰，导致结构刚度降低，变形加大，从而吸收大量的地震能量；同时通过塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起到一定的约束作用，使剪力墙保持足够的强度和刚度。在这一过程中，连梁起到了一种耗能的作用，对减少墙肢内力，延缓墙肢屈服有着重要的作用。但在地震的反复作用下，连梁的裂缝会不断发展、加宽，直到混凝土受压破坏，这些塑性变形的积累导致连梁的破坏，很难进行灾后修复或不经济。

根据剪力墙结构的受力特点及建筑功能要求，将消能装置布置在结构上部受力较大的连梁处，可以最大限度的消耗地震力，并能有效避免连梁混凝土的破坏，更好的实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准目标。

3.3 金属剪切型阻尼器特性

金属消能器，由各种不同金属材料(软钢、铅等)元件或构件制成，利用金属元件或构件屈服时产生的弹塑性滞回变形耗散能量的减震装置。

本工程采用的连梁阻尼器属于金属消能器。金属剪切型阻尼器的设计需要考虑刚度的变化。图2表示了金属阻尼器的等效刚度在不同位移下有所不同。软钢屈服阻尼器和连梁阻尼器的等效刚度与等效阻尼比计算需要根据楼层的最大位移计算，因此在计算中需要进行刚度与阻尼比的迭代。

对于连梁阻尼器，其设计参数主要为：弹性刚度、屈服承载力、二次刚度、最大承载力。阻尼器耗能为该阻尼器滞回曲线的面积。在PKPM模型中，没有可以直接指定单元刚度与阻尼比的单元，故采用墙单元模拟阻尼器刚度，阻尼器提供的附加阻尼比在结构整体阻尼比中体现。

3.4 结构设计

给结构配置消能部件，其实质是给结构附加阻尼，使结构的等效阻尼比增加，而结构等效阻尼比的增加会使结构的地震响应降低，同时给结构增加刚度，减小结构位移，从而减小结构位移角和位移比。本工程连梁在小震计算中超筋现象严重，连梁阻尼器所在的位置地震力和连梁变形均较大。因此，本工程均匀的在7层～14层的剪力墙连梁位置布置了连梁阻尼器，每层4个。在这些位置布置连梁阻尼器可以有效的耗散地震能量，保护主体结构。

表1 本工程阻尼器初步设计方案

表2 连梁阻尼器性能参数

表3 阻尼比计算结果

本工程采用由中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件 SATWE》进行整体分析，抗震分析时考虑了扭转藕联效应、偶然偏心及双向地震效应。同时，结合清华大学与北京羿射旭科技有限公司联合开发的消能减震结构设计程序EDStruDesign进行阻尼器附加阻尼比的计算。在计算中，采用等效刚度和等效阻尼的方法来考虑阻尼器对结构的贡献。

综合考虑减震目标及建筑功能的需要，本项目共设置了32个连梁阻尼器，并对该结构进行设计计算。阻尼器吨位设计为35 t。具体各层阻尼器布置情况见表1。

本工程采用的连梁阻尼器性能参数如表2所示。

3.5 结构分析结果

本项目中连梁阻尼器布置在结构较弱的Y向，其结果如表3所示。

经过计算该结构层间位移角如表4所示。

由表4可知，设置阻尼器之后，Y向最大层间位移角为1/1 133，均小于规范限值，满足规范要求并有足够的安全储备。其他荷载工况下计算结果也均满足规范要求并有足够的安全储备，减震结构小震下各层层间位移角均小于非减震结构。

表4 减震与非减震结构层间位移角计算结果对比

表5 结构层剪力计算结果 kN

经过计算结构层剪力计算结果如表5所示。

由表5可以知道，设置有阻尼器的减震结构，计算得到的各层剪力均小于未设置阻尼器的非减震结构，阻尼器耗能作用显著。

4 施工难点

本工程的阻尼器设置于连梁跨中，因此连梁的钢筋就需要在阻尼器位置断开，那么连梁钢筋怎样有效的传递荷载及地震力就非常重要。个人认为，连梁钢筋设置时，要考虑阻尼器的预埋锚筋的规格，将它们很好的结合，可以采用连梁钢筋作为一部分预埋锚筋，通过连梁钢筋与预埋板的有效连接，既能保证荷载的有效传递，又能避免连梁钢筋弯锚带来的钢筋太密，无法保证混凝土振捣密实度而带来的隐患。

5 结语

本工程通过消能减震设计，建筑物横向(Y)阻尼比由非减震设计的5%增加到7.3%，地震作用明显减小；结构层间位移角比非减震设计减小10%，提高建筑物的抗震性能及舒适度；底层剪力比非减震设计的减小10%；采用减震设计后，相较于非减震设计，主体结构构件受到的地震作用降低15%。

本工程采用消能减震阻尼器进行减震设计，达到了预期的减震目的，符合《建筑抗震设计规范》及住房和城乡建设部与山西省住房和城乡建设厅关于减隔震设计的要求。

[1] JGJ 297—2013，建筑消能减震技术规程[S].

[2] 潘 鹏，叶列平，钱稼茹，等.建筑结构消能减震设计与案例[M].北京：清华大学出版社，2014.

[3] 郭凤香.高层建筑剪力墙连梁受力性能的研究[D].西安：西安科技大学，2006.

A design example of shear-wall structure with energy dissipation

Liang Penghua

(ShanxiArchitecturalDesign&ResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

The paper indicates the design principle for the energy dissipation and seismic reduction of buildings, explores the structural design methods for the metallic shearing dampers allocated at the continuous beams according to the structural stressed features of some shearing wall projects, so as to improve the structural seismic performance.

shearing wall, energy dissipation and seismic reduction, damper, continuous beam

1009-6825(2016)13-0049-03

2016-02-23

梁鹏花(1978- )，女，工程师

TU352

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