某检测中心的减震抗震分析

闫新，孟磊

（1.煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽 合肥 230041；2.安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽 合肥 230051）

1 工程概况

本项目位于舒城县，主要功能为实验检测中心，四层框架结构建筑，绿建星级为二星，建筑标准层平面如图1所示。本工程抗震设防烈度为7度（0.10g）第一组，抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为Ⅱ类。从图中可以看出平面凹凸尺寸大于相应边长30%，属于凹凸不规则。经初步计算分析考虑偶然偏心的扭转位移比为1.45，属扭转偏大。鉴于实验设备的重要性和项目的典型性，经与建设单位协商，本建筑拟采用减震设计。

图1 建筑标准层平面图

2 消能减震方案比选

消能减震原理：在建筑结构的某些部位设置消能（阻尼）器，在地震作用下，消能器产生摩擦、弯曲、剪切、扭转弹塑（黏弹）性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，以减少主体结构的地震反应。减震结构设计验算的主要内容包括：①效能器给主体结构的附加阻尼比计算，由于消能部件给结构附加了阻尼，随着阻尼比的增加，地震影响系数曲线下降，结构地震作用下降；②非消能减震结构与消能减震结构的剪力、位移等对比；③需进行罕遇地震作用下主体结构的弹塑性层间位移验算；④速度型效能器的极限速度和承载力验算，位移型效能器的最大位移和承载力验算；⑤消能子结构的截面抗震验算及消能部件验算，包括连接构造设计、周边构件验算，考虑篇幅本文略。各类减震产品的适用范围见表1。

减震产品的适用范围 表1

3 消能减震装置的布置做法

消能器的常见类型可分为速度相关型、位移相关型以及其他类型。速度型效能器需进行极限速度和承载力验算，位移型效能器需进行最大位移和承载力验算。黏滞阻尼器是由缸筒、黏滞材料以及活塞组成，利用黏滞材料运动时产生黏滞阻尼耗散能量。在本工程减震设计中，为有效发挥消耗地震能量的效果，经反复对比消能减震器数量和位置对各层剪力和位移角的影响，最终确定沿结构的两个主轴方向和结构变形较大的部位设置16套墙式金属阻尼器，16套根黏滞阻尼器（VFD）。黏滞阻尼器、墙式金属阻尼器的做法详见图2～图3所示。黏滞阻尼器参数表和金属抗震耗能器参数表分别见表2～表3。

黏滞阻尼器参数表 表2

金属抗震耗能器参数表 表3

图2 墙式阻尼器悬臂墙在隔墙内做法

图3 墙式黏滞阻尼器立面图

4 地震波的选用

本工程根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.1.2 条规定选取了2条实际强震记录和1条人工模拟加速度时程曲线作为输入。对比结果如表4、表5所示，计算结果表明，每条地震波所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，不大于135%。且至少有1条波所得的结构底部剪力计算结果大于振型分解反应谱发计算结果。由此表明时程波选取合适，满足规范要求。在施工图设计阶段，要求将采用地震波包络值与振型分解反应谱法的最大值进行小震弹性设计，设计时通过对反应谱计算结果进行放大来计算结构的内力、变形。

图4 地震波时程曲线

图5 地震波频谱特性

5 阻尼器附加阻尼比计算

5.1 理论计算

消能部件附加给结构的有效阻尼比计算方法常见的有：能量法、自由振动衰减法、能量比较法、结构响应对比法等方法。能量法是基于规范反应谱工况的一种迭代算法，计算反应谱工况下的结构总应变能、效能器耗能，根据能量公式计算所得到附加阻尼的试算值再代入结构进行反应谱分析，迭代收敛后即得到附加阻尼比。本工程采用抗震规范规定的能量法进行计算。具体公式见《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第12.3.4条和《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297-2013）的第6.3.2条第5。其中的λ（阻尼指数的函数）本工程取值3.70。

地震波信息 表4

基底剪力对比 表5

5.2 计算结果

根据阻尼器模拟迭代楼层位移和地震力。附加阻尼比，直至收敛。表6表示的是计算得到的附加阻尼比。由计算结果可知，X和Y方向最小的附加阻尼比分别为4.12%和3.96%，在反应谱设计中取3%的附加阻尼比。

6 罕遇地震作用下消能减震结构弹塑性分析

弹塑性时程分析能够较为真实地反映结构在设防、罕遇地震下部分构件进入塑性后的结构受力状态，但是其计算结果难于直接用于结构设计。根据弹塑性时程分析中结构构件损伤的位置及程度，对弹性反应谱模型的结构构件进行相应刚度折减，使等效弹性反应谱计算的底部地震剪力与弹塑性时程计算的底部剪力接近，以反映结构真实受力状态。计算软件采用由广州建研数力建筑科技有限公司开发的SAUSAGE（Seismic Analysis Usage）。

本工程选择三条时程波进行罕遇地震作用下的结构计算，结果显示消能减震结构的X、Y向弹塑性最大层间位移角为1/133、1/148，满足《建筑抗震设计规范》第5.5.5条1/50的限值要求。在罕遇地震作用下设置阻尼器的消能减震结构呈现“强柱弱梁”的塑性铰发展机制，根据整体结构出铰情况、位移角以及主要构件的塑形损伤位置，确认结构可满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防三水准目标的规范要求。且带阻尼器子框架均未达到极限承载力，没有出现破坏，满足《建筑消能减震技术规程》中的要求，这表明主体结构在罕遇地震作用下的损伤状况能够按预期目标得到有效控制和改善。

附加阻尼比汇总 表6

7 结语

通过对减震结构在7度（0.1g）地震作用下进行反应谱分析和弹塑性时程分析，对比多遇地震作用下和罕遇地震作用下结构的反应，通过分析表明结构采用消能减震设计方案具有良好的抗震效果，主要体现在以下几个方面：

①在结构设置金属阻尼器和黏滞阻尼器后，结构位移明显减少，考虑偶然偏心的扭转位移比可控制在1.4以下，且梁柱配筋减小，柱截面可进一步优化，金属阻尼器可以提高结构抗侧刚度、改善结构的抗扭性能以及增强结构的耗能能力；

②在多遇地震作用下，结构附加阻尼器减震设计后主体结构的抗震性能明显改善；

③在罕遇地震作用下设置阻尼器的消能减震结构呈现“强柱弱梁”的塑性铰发展机制，根据整体结构出铰情况、位移角以及主要构件的塑形损伤位置，确认结构可满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防三水准目标的规范要求。且带阻尼器子框架均未达到极限承载力，没有出现破坏，满足《建筑消能减震技术规程》中的要求，这表明主体结构在罕遇地震作用下的损伤状况能够按预期目标得到有效控制和改善。