减震技术在高烈度地区体育馆中的应用分析

沈 维 亮

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 消能减震技术

消能减震技术就是通过提升结构的附加阻尼来降低地震对建筑结构产生的地震力反应，消能减震技术在当前阶段的应用范围非常广。不仅能够在新建建筑物中使用减震技术，还能够应用于老旧建筑物的抗震改造中，同时既能够应用在钢结构中，又能够应用在钢筋混凝土结构中[1]。

建筑结构消能减震设计是把结构的某些抗侧力构件(支撑、连接件等) 设计成阻尼构件、或者在构件的某些部位(层间、节点、连接缝等) 设置消能部件、使该建筑在地震和风荷载作用下,随着结构影响的增大,通过消能构件或者消能器相对变形或者相对速度提供附加阻尼,大量消耗输入主体结构的地震或风振能量,达到预期防震要求[2]。

2 工程概况

本项目建设于海口市长秀片区(B区)内，建筑内容为18 000座甲级体育馆，可满足举办全国性和单项国际比赛的要求。本工程建筑高度为48.60 m，建筑层数为地下1层，地上6层(比赛厅为单层大空间)。底层层高4.3 m、2层4.1 m、3层6.33 m、4层4.8 m、5层4.3 m，室内外高差150 mm。看台平面如图1所示，剖面如图2所示。

本工程抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.30g，地震分组为第二组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.40 s。体育馆容纳人数为18 000座大于4 500，根据GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准条文说明6.0.3本工程属于重点设防类[3]。

3 结构选型与结构布置

本项目为乙类设防建筑，重要性程度高，抗震性能要求高；同时位于高烈度地区，地震作用大，需采用有效措施保证结构在地震作用下的安全性。基于此，对本体育馆结构体系提出两种方案进行比选：1)抗震方案：框架—剪力墙结构体系；2)减震方案：框架—屈曲约束支撑+黏滞阻尼墙结构体系。

3.1 抗震结构方案结构布置

抗震结构体系最初考虑框架结构，但由于地震烈度较高，地震力较大，水平位移不满足要求，故增加设置剪力墙。由于体育馆上层看台处刚度较弱，所以剪力墙布置在相应位置，在提高结构整体刚度的同时，也可有效控制看台处的局部水平变形。经计算分析，结构的整体扭转效应比较明显，在平面环向增加设置部分剪力墙。最后的框架—剪力墙结构方案如图3所示。

3.2 消能减震方案结构布置

在抗震方案的基础上，提出消能减震方案。消能减震方案采用框架—屈曲约束支撑+黏滞阻尼墙抗侧力体系，如图4所示。减震部件布置如下：1)黏滞阻尼墙布置：黏滞阻尼墙布置于结构的1F和2F，黏滞阻尼墙在小、中、大震下均发挥耗能作用；2)屈曲约束支撑布置：为保证结构整体刚度的同时进一步提高中震和大震下的减震效果，将抗震方案的剪力墙替换为屈曲约束支撑。

4 减震部件布置方案对比

4.1 减震部件布置方案

方案1：1F～2F布置黏滞阻尼墙，3F～4F布置屈曲约束支撑，布置立面图如图5所示。

方案2：1F～3F布置黏滞阻尼墙，4F布置屈曲约束支撑，布置立面图如图6所示。

方案3：1F～2F布置黏滞阻尼墙，3F布置屈曲约束支撑，4F布置黏滞阻尼墙，布置立面图如图7所示。

4.2 分析结果对比

分析结果如图8，表1所示。

表1 最大层间位移角对比

由于方案2和方案3分别在3F和4F采用黏滞阻尼墙替代屈曲约束支撑，相应楼层刚度突变，导致层间位移角不满足规范要求。因此，本项目采用方案1布置方式。

5 减震结构与常规结构计算对比分析及计算结果

本项目在地震作用下的耗能减震效率采用非线性弹性时程分析，地震波从Ⅱ类场地的地震波库中选取，选用的5组天然波TR1,TR2,TR3,TR4,TR5和2组人工波RG1,RG2(共7组波)。

5.1 附加阻尼比分析

采用能量对比法对7组时程波下的附加阻尼比分别进行计算，多遇地震结果如表2所示，设防地震结果见表3。

表2 多遇地震附加阻尼比计算

表3 设防地震附加阻尼比计算 %

由表2可知小震下附加阻尼比2%，由表3可知中震下附加阻尼比2.1%，有利于降低地震作用。

5.2 地震作用结果分析对比

采用以上7条时程波对抗震方案和消能减震方案进行对比，多遇地震对比结果见表4，设防地震对比结果见表5。

表5 设防地震分析结果对比

由上面对比可知，多遇地震作用下，消能减震方案的黏滞阻尼墙充分耗能，相较于抗震方案减小地震作用约33%(X向)、42%(Y向)；设防地震作用下，消能减震方案的黏滞阻尼墙充分耗能，屈曲约束支撑部分耗能，相较于刚性方案减小地震作用约36%(X向)、43%(Y向)。

5.3 耗能构件分析

通过分析，设防地震下，约有55%的屈曲约束支撑进入屈服耗能，通过黏滞阻尼墙与屈曲约束支撑同时发挥耗能作用，设防地震下消能减震装置共提供附加阻尼比约2.1%，相较于抗震结构方案地震作用减小35%～40%。

大震下黏滞阻尼墙继续发挥耗能作用，屈曲约束支撑基本全部屈服，减震部件耗能约占总能量的25%，提供附加阻尼比约2.6%，体现了良好的耗能效果。构件塑性耗能占30%左右，通过采用减震方案，主体结构构件得到有效保护，改善了结构抗震性能。

6 结语

从上面的分析结果可知，消能减震方案相比抗震方案有明显的优势，主要表现在：

1)消能减震方案的周期较抗震方案有一定程度的增大，同时，小震下附加阻尼比2%，中震下附加阻尼比2.1%，有利于降低地震作用；

2)多遇地震作用下，消能减震方案的黏滞阻尼墙充分耗能，相较于抗震方案减小地震作用约33%(X向)、42%(Y向)；设防地震作用下，消能减震方案的黏滞阻尼墙充分耗能，屈曲约束支撑部分耗能，相较于刚性方案减小地震作用约36%(X向)、43%(Y向)；罕遇地震作用下，消能减震方案的黏滞阻尼墙继续耗能，屈曲约束支撑基本进入屈服耗能，有效减小了主体结构构件的损伤，体现了良好的耗能机制。

综上所述，本项目采用了消能减震方案：框架—屈曲约束支撑+黏滞阻尼墙结构体系，通过组合消能减震措施保证各个地震水准下结构的抗震性能。