某消防指挥中心工程消能减震设计

2020-12-25李玉龙杨彦海姜峰

工程建设与设计 2020年23期

李玉龙，杨彦海，姜峰

（北京市弘都城市规划建筑设计院，北京100045）

1 引言

根据司法部《建设工程抗震管理条例（征求意见稿）》第2.15条规定：位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、养老机构、应急指挥中心、应急避难场所等公共建筑应采用隔震减震技术，保证发生本地区设防地震时不丧失建筑功能【1】。

消能减震技术作为一种被动减震技术，是将具有一定阻尼和刚度的结构耗能构建布置在建筑物合适的部位，一定程度地提高建筑物的阻尼与刚度，通过这些耗能构件消耗输入建筑的震动能量，达到降低结构动力响应、保护主体结构安全的目标。张兵【2】通过在建筑中布置减震器，分析发现，设置减震器可提高结构的抗震性能。本文以8度区某消防指挥中心一个结构单元为工程实例，探讨消能减震技术的实践应用。

2 工程概况

该消防指挥中心项目建筑面积34 300m2，依据GB 50223—2008《建筑抗震设防分类标准》，该项目属于重点设防类建筑【3】。本项目为乙类建筑，属于地震中不可中断使用的建筑，综合选择后该项目采用钢框架结构加屈曲约束支撑的结构形式。该项目建筑南侧地上8层、地下3层，北侧地上7层、无地下室，东侧裙房地上4层、地下3层，通过抗震缝将结构划分为合理的计算单元；建筑所在地区抗震设防烈度为8度（0.2g），地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。

3 消能减震设计思路

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016版）（以下简称《抗规》）中结构性能化设计的相关规定【4】，本工程消能减震设计目标如下：

1）当多遇地震作用时，主体结构处于弹性工作状态，同时建筑物内部的非结构构件没有明显损坏；当结构遭遇罕遇地震时，建筑物内部设置的减震系统能正常发挥其预期的减震作用。

2）根据预期的水平地震力、位移控制要求等参数，估算结构的附加刚度、附加阻尼、减震器的截面参数及数量并布置在合适的位置。

3）在结构层间相对位移较大的楼层或相对速度较大的楼层合理布置屈曲约束支撑，合理设置屈曲约束支撑与主结构之间的连接节点，提高支撑两端相对变形的能力，增强屈曲约束支撑的耗能能力。

4）对于与屈曲约束支撑连接的消能子结构梁、柱和墙等构件，采用屈曲支撑在极限位移时的阻尼力对其截面进行承载力设计。

5）对布置有减震器的整体结构进行不同地震作用下的弹性分析和弹塑性分析。

6）在罕遇地震作用下，应保证支撑与主结构之间的连接部件保持不屈的状态。

4 建筑结构设计

4.1 建筑结构方案

本工程为钢框架结构加屈曲约束支撑结构，通过SAP2000有限元软件建立结构减震与非减震分析2种模型进行计算分析，建筑中布置的屈曲约束支撑采用SAP2000有限元软件提供的连接单元plastic（wen）进行模拟。结合建筑平面布置，遵循“均匀、分散、对称”的原则布置屈曲约束支撑，布置位置详见图1，SAP2000计算模型详见图2。

图1 屈曲约束支撑平面布置图

图2 SAP2000计算模型

4.2 结构减震目标与性能目标

分析本工程的特点及重要程度，参考相关设计规范，确定在多遇地震和罕遇地震作用下本工程的消能减震目标（见表1），以及具体性能目标与设计方法（见表2）。

表1 本工程的消能减震目标

表2 结构性能化设计目标及方法

4.3 地震波的选取

根据《抗规》5.1.2条的规定，选取7条地震加速度时程曲线对本工程进行弹性时程分析时，时程分析所得的结构基底剪力与反应谱法所得的基底剪力对比详表3，从表中的计算结果可以看出，时程分析所得的基底剪力与反应谱法计算的基地剪力的比值均在65%～135%，时程分析所得的基底剪力平均值大于反应谱法计算基底剪力的80%，所以时程分析所选取的地震波符合规范要求。

表3 反应谱与时程工况的基底剪力对比

SAP2000有限元软件中快速非线性分析（FNA）方法对结构弹性时称分析时，主结构本身处于弹性工作状态，屈曲约束支撑处于非线性工作状态。计算所得的减震结构与非减震结构楼层剪力详见图3、图4。可以看出，增加减震器后，楼层剪力较未布置减震器时减小，且楼层剪力变化相对均匀，没有明显的薄弱层，说明布置减震器后，结构的抗震性能提高。