工业厂房金属耗能器罕遇地震弹塑性时程分析

周 珺

(上海核工程研究设计院有限公司，上海 200033)

工业厂房具有大跨度、重荷载、高净高等要求。纯框架工业厂房往往不能满足建筑空间需求，且纯框架侧向刚度小，抗震性能不利，尤其罕遇地震下，结构水平位移大，易造成严重破坏。本文用ETABS2016软件进行抗震分析和参数研究，探讨重荷载、大跨度、高净高工业厂房在罕遇地震下的动力响应，验证金属耗能器的耗能保护作用。

1 工程概况

某工业厂房地上5层，钢混框架体系。设防烈度7度(0.1g)，地震分组第一组，Ⅳ类场地，场地特征周期0.9 s，罕遇地震下结构阻尼比0.05。地上1层～4层布置了64根金属耗能器(MDD)，人字形布置，金属耗能器性能如表1所示，平面布置图如图1所示。

表1 选定支撑的性能

2 多遇地震下结构分析

本工程采用有限元分析软件ETABS2016进行动力弹塑性分析，首先对工业厂房结构进行模态和多遇地震反应谱分析，并对比计算结果，如表2所示，表2中差值为：(|MDD结构-普通结构|/MDD结构)×100%。

表2 结构周期对比(前三阶)

表2为原厂房结构与带MDD支撑结构的周期变化，后者明显减小。周期比显著降低，说明MDD不仅能提高抗侧刚度，也可有效改善结构抗扭性能。由图2可知，MDD结构的基底剪力更小。图3显示了纯框架与带金属耗能器的支撑结构在结构位移的改变，可见支撑结构的位移反应比纯框架小，满足规范要求。

3 罕遇地震作用下动力弹塑性分析

本工程使用的软件ETABS2016软件具有强大的非线性动力分析功能，能够准确分析主体结构进入塑性的变形特征及防屈曲支撑在大震下所发挥的特性。主体结构框架梁采用梁铰(M)、柱定义为柱铰(PMM)(每个构件两铰，距离分别为0.02和0.98)，MDD采用PLASTIC(Wen)模型模拟，定义为P铰，刚度取βEA/L，β=1.3,该系数为考虑节点板和节点域的刚度放大，屈服后刚度系数取0.01。MDD的模拟采用刚性杆系再定义纤维轴力铰。

本文选取三条波进行弹塑性时程分析，TH1和TH2为天然波,TH3为人工波，分析时间70 s，调幅后的峰值加速度为220 cm/s2。

由图4，图5可知，罕遇地震下结构X向和Y向最大层间位移角均出现在第4层，分别为1/126和1/147，在限值1/50以内，满足“大震不倒”的设防要求，即金属耗能器可有效控制结构整体位移。

现以顶点位移对比分析结果为例来说明金属耗能器的减震效果。图6显示两种结构在相同地震动输入下顶点位移在前20 s的时程曲线。纯框架与支撑结构的最大顶点位移分别为：150.5 mm和105.5 mm，降幅为29.0%，可见在相同地震动输入下，支撑结构顶点位移反应明显更小，从而能够更好满足“大震不倒”要求。

下面以TH2波为例说明罕遇地震下结构屈服状态。

由图7～图9可知结构屈服状态变化，MDD先于梁柱出现塑性铰，即罕遇地震下，MDD率先屈服耗散地震能量，避免主体过早进入塑性，发挥了第一道抗震防线作用。

采用附加阻尼比计算方法采用能量类比法，据此算出减震结构的金属耗能器在罕遇地震下的X向和Y向平均附加阻尼比为2.92%和2.7%，阻尼比越大对结构越有利。

图10～图13为罕遇地震下部分MDD的滞回曲线饱满，表明其具有良好耗能能力，底层MDD耗能效果最好。

纯框架需要增大构件尺寸才能提高抗侧刚度，这样结构自重和地震力增大，也不经济。采用金属耗能器后构件尺寸大幅降低，见图14，柱由1 200 mm×1 200 mm降为1 000 mm×1 000 mm，主梁由800 mm×900 mm降为400mm×900 mm，图14显示了纯框架结构和BRB结构的单位构件混凝土用量差别，整个结构共计节约混凝土约19%，同时建筑获得更多的使用空间。这证明金属耗能器不仅可以提高结构的抗震性能，同时兼具良好的经济性。

4 结语

本文通过在大跨度、重荷载工业厂房中设置金属耗能器，有效降低了结构地震动力响应，大大提高了其抗震性能与抗震安全储备。分析可知，多遇地震下金属耗能器不仅能增加结构刚度，还能有效控制位移响应，改善结构抗震性能。罕遇地震下金属耗能器先于梁柱出现塑性铰，率先进入屈服，滞回曲线饱满，有效耗能并保护主体结构。且大震下结构整体变形均没有超过规范限值，满足“大震不倒”的要求，并有效减小地震作用。高烈度地区的带金属耗能器的框架结构工业厂房可耗散地震能量，使结构主体避免倒塌，和纯框架相比能大幅减小结构梁柱尺寸及结构地震作用，是更经济的结构形式。