学校结构减震方案研究

宋美珍

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

1 工程概况

本建筑为学校建筑，位于雄安新区，框剪结构，地上3层，高度为12.2 m。按照雄安新区相关要求，学校、医院、生命线等关键设施按基本烈度为8度（0.3g）抗震设防。场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为二组，场地特征周期为0.55 s。根据规范和当地规定，本工程为乙类建筑，为重点设防类。本文从理论研究的角度对此项目进行了减震方案设计分析。

2 抗震设计思路

依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）[1]（以下简称《抗规》）中3.4条，本项目属于结构平面不规则，抗震等级为剪力墙一级、框架二级。按规范要求采取相应的抗震构造措施，楼梯通道部分配筋和连接均做相应加强。采用减隔震设计，为了达到消耗地震能量的作用并提升建筑的抗震性能，将消能构件布置于建筑物中，结构体系的附加阻尼和附加刚度由消能构件的相对速度和相对变形提供，可以降低结构体系的地震响应。结合建筑使用功能，在填充墙部位设置消能减震构件，对连接的结构框架柱、梁进行加强设计。

在本项目减震设计中使用的消能减震构件是悬臂墙型剪切阻尼器，布置如图1所示。由于设置了悬臂墙型剪切阻尼器后，在多遇地震时阻尼器会产生附加阻尼和附加刚度，通过计算调节阻尼器的参数，可以使结构的刚度和总阻尼比达到预计值[2]。经过计算分析可知，减震设计后可以完美解决传统普通抗震作用计算的相应问题，设置了悬臂墙型剪切阻尼器，也减少了结构体系的混凝土和钢筋含量，节约了主材，降低了造价，提高了结构抗震性能和安全性，意义重大。

图1 剪切阻尼器平面及立面布置

3 减震方案

3.1 基本原则

1）减震方案的抗震目标：多遇地震下结构体系处于弹性状态，未发现非承重构件有明显破坏；罕遇地震下悬臂墙型剪切阻尼器可以正常发挥其耗能作用。

2）附加阻尼器的减震结构分析主要包括地震作用下的弹性时程分析和弹塑性时程分析。通过在楼层相对速度或相对变形较大的地方设置阻尼器，为了提升消能构件的减震效率，可通过对连接形式的合理利用来提高消能构件的相对速度或相对变形来达到[3]。

3）减震设计时要选择适合的阻尼器型号，主要是根据预计的地震作用、位移限值、减震参数等，计算出需要的结构体系附加阻尼比和附加刚度来初步选定。极限位移下，消能构件的阻尼力对消能子结构主要构件（墙、柱、梁）的截面有影响。此外，需要在罕遇地震作用下保证抗侧力结构体系与悬臂墙型剪切阻尼器的连接处于弹性状态[4]。

3.2 设计思路

为了达到抗震设防的预期目标，在附加结构上的悬臂墙型剪切阻尼器可以控制不同抗震设防下的变形。

悬臂墙型剪切阻尼器是消能减震结构提升抗震性能的最重要因素，那么在减震结构方案设计时，首先要解决的就是怎样能模拟出阻尼器的减震作用，而且这种模拟要能满足工程精度。在原有结构体系中用附加刚度和附加阻尼比作为传统抗震设计和减震设计的媒介，可以将复杂的减震设计转化为成熟的传统抗震设计方法。承载力设计时，阻尼器附加的刚度和阻尼比影响结构的地震作用，导致减震前和减震后的楼层剪力、结构位移不同，提高了结构体系的抗震能力[5]。

其具体设计内容主要包括：

1）确定YJK软件中反应谱分析的等代柱刚度、附加阻尼比，初步选定阻尼器平面布置，选定阻尼器型号、参数、规格和数量；

2）在多遇地震作用时，计算分析在阻尼器的附加阻尼情况下，减震结构的地震响应：

3）配筋设计按符合规范统计意义上的时程平均值来确定，并考虑YJK软件的计算配筋结果进行设计；

4）通过罕遇地震的弹塑性分析，对位移指标、结构出铰顺序进行验算，满足构件的抗震性能目标，重点设计与阻尼器连接的部分结构构件。

3.3 剪切阻尼器

如图2所示，阻尼器内力-位移关系，K0、K1、K为力与位移的斜率，Nmin、Q0和Qy为恢复力，Dmin为位移极值，阴影面积为结构吸收能量的大小。软钢（Mild Steel）阻尼器通常采用低屈服应力钢材制成，是一种较为常用的耗能减震装置。为了达到结构减震目标，耗散结构中被输入的能量，软钢在风荷载工况或地震作用工况下，会产生塑性屈服滞回变形。软钢具有较好的低周疲劳性能和滞回性能。包括扭转梁、弯曲梁和U形钢等形式。软钢可以耗散部分输入地震能量的原因，是通过给结构施加附加阻尼和刚度，其具有良好的滞回性能。运用软钢阻尼器来为结构耗能，比传统的以抗为主的抗震体系会更加有效，具有良好的应用前景和价值。

图2 阻尼器内力-位移关系

3.4 附加刚度和阻尼比

首先要确定目标，即消能减震结构的需要实现的减震位移目标，根据这个目标再反算需要提供的附加刚度和附加阻尼比。

根据《抗规》相关规定，结构的阻尼比+结构的消能构件附加有效阻尼比=减震结构的总阻尼比，结构刚度+消能构件附加的有效刚度=减震结构的总刚度。本项目通过软件的反复计算对比，计算出在实现位移目标值时，减震结构需要提供的附加阻尼比=结构总阻尼比-结构阻尼比。

3.5 阻尼器的参数和数量及安装位置和型式

为了确定采用的阻尼器数量，屈服位移和吨位是阻尼器的重要考量参数，可以通过计算得到的附加阻尼比及附加刚度结果来选择。

确定了阻尼器选型，就需要确定阻尼器安装位置，在平面布置上一般遵循“周边、分散、均匀、对称”的原则。为了发挥阻尼器的最大功效，在结构竖向布置时，先计算分析非减震结构，得到楼层最大间位移角。

布置阻尼器时，不能太集中布置在某个楼层区域中，当设计布置的阻尼器过多集中在某一楼层时，可以在下面相临近的层间位移较大的楼层布置。分析表明，把阻尼器放在下部减震效果相对较好，最好按楼层连续布置，这样布置安装的阻尼器能够提高减震实际效率和效果。

一般采用较多的为墙式连接安装形式，以不影响建筑功能为阻尼器安装的主要原则，如图3所示。

图3 典型阻尼器连接示意图

4 结论

1）高烈度区结构为降低结构体系的地震响应，传统以抗为主的抗震设计很难达到规范要求，而且工程造价太大，从指标和经济性出发，一般均应采用减震方案设计才能达到规范指标限值。

2）从抗震设计思路、减震设计原则、减震设计内容、减震设计方法和步骤出发，详细叙述了与传统抗震设计方法的区别和联系，通过附加刚度和附加阻尼比参数作为与传统抗震设计的桥梁，将减震设计转化为传统抗震设计的计算方式。

3）根据阻尼器的主要特点和特性，提出了阻尼器的选型方法、阻尼器的参数和数量估算、阻尼器的安装位置和连接型式。还要注意阻尼器的安装要结合建筑功能，不能影响建筑功能的使用。