某幼儿园结构消能减震设计过程分析

秦奇

摘 要：近年来国家和地方建设管理部门对减隔震技术提出了要求，一些高烈度地区医院、学校等重点设防类、特殊设防类结构推荐或强制要求采用减隔震技术。本文以某8度区幼儿园为例，对结构专业消能减震设计的过程进行简要分析介绍。

关键词：消能减震；防屈曲支撑

1 工程概况

本工程建筑面积约3000m2，地上三层，无地下室，结构高度11.85m，建筑功能为幼儿园，采用钢筋混凝土框架结构。地方政府相关政策性文件规定本工程必须采用减隔震技术。

根据《建筑工程抗震设防分类标准》相关规定，抗震设防类别按照重点设防类设计。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组。建筑场地类别为Ⅲ类，设计特征周期0.45s。50年重现期基本风压0.40kN/m2，地面粗糙度类别为C类，50年重现期基本雪压0.35kN/m2。

结构分析软件为PKPM 2012.06版（中国建筑科学研究院）。

2 减隔震技术简要介绍

减隔震技术分为隔震与消能减震两个内容，两者各有其特点和适用性。隔震体系通过延长结构的自振周期以减少结构的水平地震作用，适用于低层和多层建筑及硬土场地。消能减震技术适用范围更广，结构类型和高度以及场地状况都不受限制，通过设置消能器增加结构阻尼来减少结构的地震作用。结合经济性及设计施工便利性的目标考虑，本工程采用消能减震技术。现在工程中常用的消能器主要有两种类型：位移相关型和速度相关型。本工程采用防屈曲支撑（BRB），也叫屈曲约束支撑，属于速度型消能器。普通支撑受压会屈曲，屈曲后刚度及承载力会骤降，由于毫无预兆，这种脆性破坏需要避免。众所周知，钢材抗拉和抗压设计值是相同的，由于屈曲的原因，钢材受拉比受压工况更能充分发挥材料的承载能力。防屈曲支撑的构造是在钢支撑外部设套管，防止内核钢支撑在受压时屈曲。内核钢支撑与外部套管可以相对滑动，工作时仅内部钢支撑受力。通过这样的设计，防屈曲支撑在拉力和压力作用下受力均能达到理想的强度屈服。由于防屈曲支撑无需考虑稳定性问题，故在作用力相同的情况下防屈曲支撑的截面较普通的钢支撑截面要小，结构的总抗侧刚度减小，周期变长，地震作用自然也随之减小，带来的是梁柱构件的截面普遍减小。避免了普通钢支撑承载力不够加大截面，刚度增大，地震作用加强导致钢支撑承载力不满足的循环。

3 设计过程分析

防屈曲支撑（BRB）产品有很多种。约束单元可为钢管混凝土、钢筋混凝土，也可为钢构件。按照使用功能分类可分为阻尼型、耗能型和承载型。阻尼型防屈曲支撑小震阶段开始屈服耗能；耗能型防屈曲支撑小震弹性，中震大震开始屈服耗能；承载型防屈曲支撑大震仍保持弹性。本工程选用的是耗能型防屈曲支撑，约束单元采用钢构件。

在采用防屈曲支撑的情况下小震弹性且梁柱构件截面较不采用消能减震的情况下要小很多；中震作用下钢筋混凝土梁柱不屈服，仅防屈曲支撑作为耗能构件屈服；大震作用下由于防屈曲支撑消耗大量地震能量，钢筋混凝土梁柱轻微损坏或者不损坏，震后仅需更换损坏的防屈曲支撑，要比大面积修理混凝土梁柱便利许多。通过静力弹塑性分析可以验证。

在多遇地震作用下对于消能器的计算分析方法主要有两种。一种是根据阻尼器的耗能作用，将其耗能作用按照附加阻尼比的办法考虑。这种方法在建模的时候无需将消能器建入模型，而只是提高结构的阻尼比。另一种方法是将阻尼器建入到模型当中，无需考虑附加阻尼比的问题，本工程采用的是第二種办法。防屈曲支撑按照普通钢支撑在整体计算模型中建入，计算得出底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%，形成钢支撑-混凝土框架体系，弹性状态结构阻尼比取0.045。

钢支撑-混凝土框架的抗震设计可参照GB 20011-2010《建筑抗震设计规范》附录G的相关要求，具体条款根据实际工程状况确定适用条件。按照规范建议，抗震设防烈度为6～8度且房屋高度超过规范规定的钢筋混凝土框架结构最大适用高度时，可采用钢支撑-混凝土框架组成抗侧力体系的结构。本工程并未超高，故《抗规》附录G有些条款并不适用。例如规范该章节对抗震等级提高的规定即适用于结构超过规范框架结构高度限值的情况，本工程无需考虑。由于钢支撑-混凝土框架介于框架结构和框剪结构之间，故按照两者最不利情况确定抗震等级是偏安全的，据此原则本工程取框架抗震等级一级。

本工程南面布置了三个教室，并且平面上逐个收进成为阶梯形平面布置，结构扭转效应明显。经试算在规定水平力作用下的楼层位移比已超过规范的要求。为保证扭转规则性符合规范要求需要结构具有足够的抗扭刚度。通过增加梁柱截面的方法能够满足位移比的要求，但构件截面过大配筋困难，同时建筑效果也不理想。结合建筑布局和结构刚度需求，在框架的两个主轴方向适当位置每层布置了四处防屈曲支撑。根据柱距的不同，采用人字型布置或单斜撑布置，斜撑与水平面夹角为42°～55°，满足《抗规》要求的35°～55°之间。有条件的情况下钢支撑宜上下连续布置，本工程有一处受建筑方案影响无法连续布置，在邻跨延续布置。通过对防屈曲支撑的截面设计选择，保证其多遇地震作用下保持弹性，此举能够保证在多遇地震作用下支撑提供给结构足够的抗扭刚度。通过试算，最终确定防屈曲支撑等效截面为16900mm2和14400 mm2两种规格，计算楼层间位移比满足要求。防屈曲支撑截面较小，厂家在产品设计过程中可根据设计单位提供的支撑截面刚度确定理想的形式，将其埋设在建筑填充墙中，从而使防屈曲支撑的布置具有很高的灵活性。有的消能器在多余地震作用下便开始耗能，故小震计算时就需要考虑附加阻尼比，本工程防屈曲支撑在小震作用下不屈服，故不考虑附加阻尼比，其计算方法与未采用消能减震的钢支撑-混凝土框架一致。

根据GB 50011-2010《建造抗震设计规范》要求，钢支撑-混凝土框架的层间位移角限值按框架和框架-抗震墙内插。本工程底层钢支撑框架分配的地震倾覆力矩或地震剪力的最大比例为62%，按照1/550和1/800内插取层间位移角限值为1/682。本工程多遇地震作用下结构最大层间位移角为1/778<1/682，满足规范要求。由于防屈曲支撑的特殊构造可以不用考虑稳定性，故在程序计算结果中只需要考虑支撑的强度满足要求即可。

在设防地震作用下防屈曲支撑发生屈服。设防地震和罕遇地震作用下的静力弹塑性分析采用PKPM软件的PUSH模块。罕遇地震作用下，本工程的机制是防屈曲支撑率先屈服耗能，然后梁、柱进入耗能状态。经过分析计算，罕遇地震下最大层间位移角为1/253，满足规范要求。

钢支撑（BRB）-混凝土框架结构形式介于框架结构与框剪结构之间，本工程参考框剪结构的设计特点，按照多道防线的概念设计。支撑是第一道防线，混凝土框架作为第二道防线需进行加强。在竖向工况作用下，取竖向荷载工况去掉支撑计算与有支撑模型取配筋包络。地震工况下梁柱配筋适当放大。与支撑相连的框架柱加强箍筋及纵筋。

GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》第8.1.6条条文说明对防屈曲支撑的构件截面计算做出了规定，N≤0.9Nysc/ηy，Nysc=ηyfayAl 。且对防屈曲支撑提出了性能要求。按照此要求设计能保障设防地震及罕遇地震作用下支撑先于钢筋混凝土框架屈服并且支撑具有足够的延性以消耗地震能量从而保证主体框架的安全。

在确定专业的生产厂家后应考虑经济安全及便利性选择适当的产品方案进行深化设计。设计人员要对防屈曲支撑的检测、维护等提出必要的要求。根据最终的产品和钢筋混凝土框架结构构件布置对防屈曲支撑与混凝土构件的连接节点进行详尽设计，保证节点强度满足设计要求。

4 结语

高烈度、不规则结构采用消能减震技术能够极大缓解地震作用的不良效应，有效减小了主体结构构件截面积和配筋，既环保经济，同时也能保证建筑效果。随着国家及地方相关政策的推行，消能减震产品的丰富，结构采用消能减震的成本将会进一步降低，其优越性将日益凸显，其应用将更广泛。本文通过简要介绍具体工程的消能减震基本原理及设计过程，给实际工作中遇到此类问题的结构设计师以参考。

参考文献：

[1] GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].