消能减震技术在宁波杨柳郡项目中的应用

徐继东

消能减震技术在宁波杨柳郡项目中的应用

徐继东

(华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)

2016年8月实施的新版《建筑抗震设计规范》对全国多个地区的设防烈度进行了调整，例如宁波地区由原来的6度设防提高为7度。项目为一地铁上盖项目，底部2层大底盘，上部10层框架。底部的2层大底盘已经按照6度设防设计并建造完成，而上部的住宅部分续建时应按照7度设防设计，由此带来的抗震设防方面的一些问题，例如上部框架结构的抗震指标很难达到现行规范的要求、基础的承载力出现不满足的情况、已建部分出现配筋不足等。为了不影响地铁检修车间的使用及避免对基础的加固，并保证上部结构大震的性能目标，本文通过采用黏滞阻尼器和剪切型金属阻尼器技术来解决整体结构的抗震问题。

：消能减震；弹塑性分析；黏滞阻尼器；剪切型阻尼器

1 工程概况

本项目位于宁波市，总建筑面积约24万m2，结构形式为框架体系，其中1～2层为大底盘，划分为8个区块，大底盘的1层为地铁维修用房(层高10 m)，第二层为停车场(层高4.5 m)，大底盘上有13幢框架结构住宅分布设置，每幢共10层(总高30 m)，结构总高度为44.5 m。目前，整个结构的大底盘已经建造完成并投入使用，设计设防烈度为6度(0.05g)。现在宁波地区的设防烈度提高到7度(0.1g)，需要对续建的上部13幢住宅结构按照7度设防进行设计，同时下部2层大底盘也需要按照7度设防进行复核验算并采取相应的措施，尽量降低工程加固量。

本文选取8个分区中上部结构最长单体的一个区块进行分析，结构模型如图1所示。

2 方案分析

本项目设计有以下难点：(1)1层地铁用房已经建设完成并投入使用，需要尽量降低结构的地震力，以避免或尽可能减少对已建结构的加固工程量；(2)上部结构传到基础的力应尽量减小，减小结构自重和地震力，以减少下部桩基础的荷载，确保基础在原设计的安全范围内；(3)上部住宅结构通过两次转换，把地震力传给基础，其中二层转换梁、转换柱已经建成，而且设计设防烈度为6度，低于目前设防烈度，避免或尽量减少对已建结构转换构件的加固；(4)上部新建结构的柱、梁截面尺寸设计受到较大限制和制约。因此，新建结构的整体计算指标、梁柱构件配筋、框架柱截面抗剪承载力等指标均较难满足规范限值，同样需要减小地震力。

图1 结构模型示意图

针对本项目的难点采取常规“硬抗”的抗震方式很难解决问题，不但下部的地震力难以减小，上部结构的抗震性能指标也不能满足规范的要求。因此，采用消能减震技术成为解决问题的首选，根据现有消能减震技术的发展情况，可以采用隔震方案或减震方案。

2.1隔震技术

(1)优点：明显降低地震作用，对上部和下部的减震效果均比较明显，地震设防烈度可降低半度。

(2)缺点及限制：应用隔震技术受到隔震层高度的限制，不能为隔震层留出维护和检查空间，支座安装比较困难。由于该项目场地为IV类场地，且属于层间隔震，应用效果并不理想。另外，隔震结构工期较长，造价方面稍高。

2.2屈曲约束支撑技术

(1)优点：屈曲约束支撑的刚度和屈服力都比较大，应用在框架结构中可以明显降低结构的层间位移角，小震一般按弹性设计，产品在中大震下进入屈服状态耗能。对上部结构可以明显降低层间位移角，提高安全度。

(2)缺点及限制：屈曲约束支撑布置方式为斜向布置，给建筑隔墙的砌筑带来较大困难。屈曲约束支撑的屈服力比较大，对与之相连的结构梁柱受力影响较大，通常需要增加截面尺寸，本项目框架柱、框架梁的截面尺寸受建筑功能的制约较大，可行性较低。上部增加屈曲约束支撑后会明显提高上部结构的刚度，导致上部地震力的加大，从而下部结构地震力也随之增加。

2.3黏滞阻尼器技术

(1)优点：黏滞阻尼器为速度型阻尼器，一般不考虑其对结构的附加刚度影响，对降低结构的地震力有较大帮助。本项目中可用于相对比较空旷的二层停车库增加结构的附加阻尼比。

(2)缺点及限制：黏滞阻尼器一般需要定期维护和检查，对于住宅而言黏滞阻尼器的使用有一定的限制。另外，黏滞阻尼器在大震阶段的作用和耗能与金属型阻尼器相比提高幅度较小，大震的耗能潜力较小。

2.4剪切型金属阻尼器技术

(1)优点：剪切型金属阻尼器的初始刚度较大，可以在小震时进入屈服，耗能效果较好，既可以为上部结构提供一定的刚度，又可以给整个结构提供一定的阻尼比。产品的厚度较小，放置在隔墙中不影响建筑功能。施工阶段可以最后安装，不影响整体施工进度。

(2)缺点及限制：对建筑的隔墙有一定影响，可能会引起墙体的裂缝，需要采取措施控制产品与墙体之间的缝隙，但与其他类型产品相比，影响较小。

通过以上对比分析，从减震及增加阻尼比的效果、对建筑的影响最小的角度出发，最终上部住宅结构采用剪切型金属阻尼器技术，大底盘2层采用黏滞阻尼器技术。

3 减震方案

3.1产品参数及布置

阻尼器布置如图2所示，剪切型阻尼器参数见表1、表2，黏滞型阻尼器参数见表3。

图2 阻尼器布置示意图

表1 X向剪切型阻尼器参数

表2 Y向剪切型阻尼器参数

表3 黏滞阻尼器参数

3.2附加阻尼比计算

附加阻尼比计算采用《建筑抗震设计规范》及《消能减震技术规程》中的方法进行。

根据《建筑抗震设计规范》12.3.4的要求，消能部件附加给结构的有效阻尼比为：

(1)

式中：ζa—消能减震结构的附加有效阻尼比；Wcj—第j个消能部件在结构预期层间位移Δuj下往复循环一周所消耗的能量，即滞回曲线的面积；Ws—设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

单个剪切型阻尼器的耗能面积根据平行四边形法则求出，如图3所示。具体计算公式为：

Wcj=As=4A1

(2)

单个非线性黏滞型阻尼器在水平地震作用下往复一周所消耗的能量，按照《建筑消能减震技术规程》6.3.2条计算：

Wcj=λ1FdjmaxΔuj

(3)

式中：Wcj—第j个阻尼器的耗能；λ1—阻尼指数的函数，可按《建筑消能减震技术规程》表6.3.2取值。其中：α=0.25时取3.7，α=0.5时取3.5，中间的按线性差值；Fdjmax—第j个阻尼器在相应水平地震作用下的最大阻尼力；Δuj—第j个阻尼器在相应水平地震作用下两端的相对位移。

图3 阻尼器耗能面积计算图

总应变能Ws=(1/2)ΣFiui，其中Fi为质点i的水平地震作用标准值；ui为质点i对应于水平地震作用标准值的位移。

另外，根据《建筑消能减震技术规程》规定：采用时程分析，计算消能器附加阻尼比时，消能器两端的相对水平位移Δudj、质点i的水平地震作用标准值Fi、质点i对应于水平地震作用标准值的位移ui采用分析结果的包络值。

根据以上原理计算得到结构的附加阻尼比见表4。

表4 结构附加阻尼比计算结果

注：能量的单位为kN·mm。

4 大震弹塑性分析

4.1分析模型

采用ABAQUS进行大震弹塑性分析，其中黏滞阻尼器采用单元，金属阻尼器采用双线性模型。本工程设防地震及罕遇地震分析采用5组天然波和两组人工地震波，多遇地震波选用1条人工波。设防地震及罕遇地震波均采用三向输入(1 ∶0.85 ∶0.65)。地震波输入时长均满足第一周期5～10倍的要求。

4.2分析结果

4.2.1 整体指标

每组地震波作用下结构弹塑性层间位移角如表5所示。

表5 弹塑性层间位移角最大值

由表5可知：X方向的层间位移角平均值为1/76；在4层位置，Y方向的层间位移角平均值为1/98。该结构在X、Y两个方向最大层间位移角均满足层间位移角≤1/50的限值要求。不同地震波组对应的结构弹塑性层间位移角曲线见图4。

图4 层间位移角曲线

4.2.2 阻尼器耗能

在罕遇地震作用下，剪切型阻尼器全部进入屈服，产生良好的耗能效果。典型耗能滞回曲线如图5所示。

图5 阻尼器典型滞回曲线

图6和图7为A2波X主方向和L5806波X主方向输入时的能量耗散情况。

图6 A2波作用下能量耗散图 图7 L5806波作用下能量耗散图

5 结论

本项目中通过黏滞阻尼器的耗能和剪切型阻尼器消耗了地震能量，降低了地震力，并有效保护框架构件，实现了结构减震的目的，主要体现在以下几个方面：

(1)已建成的既有结构在小震作用下的设计指标可以满足规范的相关要求，基础不需要采取加固措施。上部续建的住宅部分在总阻尼比取9%(5%+0.8*5%=9%)的情况下整体指标即可满足7度设防的要求，有效控制了上部结构的截面尺寸和自重。

(2)整体结构的大震性能指标得到明显提升，结构的整体指标满足大震下的性能指标要求，并有一定的安全余量；转换构件的性能基本可以达到轻微损坏状态，只有少数达到中度损坏状态。

(3)小震作用下黏滞阻尼器和底部楼层的剪切型阻尼器进入耗能状态，为结构提供一定附加阻尼比；大震作用下阻尼器发挥效果明显，消耗的地震能量占地震输入总能量的20%～26%。阻尼器的设置达到了设计的预期目标。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑消能阻尼器：JG/T209-2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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ApplicationofenergydissipationtechnologyinNingboYangliujunproject

XU Ji-dong

(EastChinaArchitecturalDesignandResearchInstituteCo.Ltd.,Shanghai200002,China)

In August 1,2016,a new version of THE CODE FOR SEISMIC DESIGN OF BUILDINGS was carried out and the fortification intensity in many areas of the country were adjusted.For example,the original 6-degree fortification increased to 7 degrees in Ningbo where the project is located in.The project is a subway project with 2 floors at the bottom and 10 floors at the top.The structure form is frame structure.The 2 floors at the bottom have been designed and constructed in accordance with a 6 degree fortification,while the residential part of the upper part of the construction should be designed in accordance with the intensity of 7 degree.Thus some problems caused in the seismic design,for example,the seismic behavior of the upper structure cannot meet the requirements of the specification in the case of limited sections; in order not to affect the use of the maintenance workshop of the subway,the reinforcement of the bottom structure and foundation should be avoided.The conversion component between the superstructure and the substructure has to meet certain performance objectives,etc.In this paper,the viscous damper and steel shear plate damper technology are used to solve the seismic response of the whole structure.

energy dissipation; elastic and plastic analysis; fluid viscous damper; steel shear plate damper

2017-04-15

国家自然科学基金项目(51478356)

徐继东(1980—)，男，山东泰安人，硕士，工程师。

1674-7046(2017)03-00038-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.008

TU198

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