高地震烈度区某剧场减震分析与设计

2021-09-06傅文桥黄琪铭伍定一

特种结构 2021年4期

傅文桥黄琪铭伍定一

常德市规划建筑设计有限责任公司 415000

引言

近年来随着城市发展，很多建筑设计得越来越不规则、奇特和复杂。而中国是一个多地震国家，这给建筑的抗震性能提出了更多的挑战，尤其是在高烈度区实现结构“中震可修、大震不倒”的设防目标。

在现代社会的发展中，已经研制出很多不同类型的消能装置，且已在新建工程、震后修复工程和加固工程中得到广泛应用，如日本Meguro Gajoen 综合办公楼和Kasumigaseki 3 Chome办公楼、美国T.F.Green 航站楼停车场、墨西哥Hydra Waves建筑、四川都江堰市中学和成都市青白江区医院等。消能装置在建筑结构中的应用，很好地解决了高烈度区建筑地震能量耗散的问题，保证了建筑具有良好的抗震性能。

20 世纪80 年代初，Taylor 等［1～4］率先对应用于工程结构中的黏滞阻尼器及其阻尼材料进行了性能试验研究，提出了黏滞阻尼器的相关力学计算模型。本文工程采用黏滞阻尼器消能减震技术，运用有限元软件进行分析，评估减震方案的有效性。

1 工程概况

本工程为一剧场建筑，建筑高度为21.9m，上部结构为5 层，地下2 层，建筑形体及空间布置较为复杂，存在大跨度、大开洞和不规则性，结构形式为框架-剪力墙结构。建筑物抗震设防烈度为8 度，基本地震加速度0.3g。建筑场地类别为Ⅱ类，建筑物抗震等级：框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级，上部结构嵌固端为地下室顶板。

2 消能减震方案

本工程制定的消能减震方案，在满足相关规范规程要求的基础上，实现合理、经济、安全的结构设计，该减震方案采用墙式连接的黏滞阻尼器［5～7］，布置在地上1～4 层的建筑墙体内，不影响建筑使用功能。

2.1 黏滞阻尼器

黏滞阻尼器属于速度型阻尼器，其基本原理是利用阻尼器内硅油的往返运动，获得阻尼力，从而耗散地震风振能量，达到减震的目的。其在小震作用下即开始耗能，对结构起到减振控制作用，结构的抗震性能会得到显著提高。

黏滞阻尼器内力-位移关系如图1 所示，墙式连接黏滞阻尼器示意如图2 所示。

图1 内力-位移曲线Fig.1 Internal forcedisplacement curve

图2 墙式连接黏滞阻尼器Fig.2 Wall connected viscous damper

黏滞阻尼器的力学性能计算公式为：

式中：Cv为根据需要设计的阻尼常数（kN／（mm／s）α）；V为阻尼器活塞相对阻尼器外壳的运动速度（mm／s）；α 为速度指数，根据需要设定，变化范围可为0.1～1.0。

2.2 黏滞阻尼器布置

本工程沿结构的两个主轴方向分别设置黏滞阻尼器，其型号、数量、位置通过多轮时程分析进行优化调整后确定。其中一层～三层均在X向（横向）布置5个，Y向（纵向）布置5个；四层在X向布置5个，Y向布置4 个，共计阻尼器39个。各层阻尼器大致分布于L 轴、G 轴、10轴、15 轴附近。本工程主体结构模型如图3所示，阻尼器二层平面布置位置如图4所示。

图3 主体结构模型Fig.3 The main structure model

图4 阻尼器（VFDX）平面布置Fig.4 Damper layout plan

3 小震分析

3.1 小震反应谱分析

本工程小震反应谱分析采用YJK 和ETABS，对两种软件下的计算结构进行相互校验，确保计算结构的一致性、正确性。基于粘滞阻尼器的ETABS整体三维结构模型如图5 所示。

图5 ETABS 整体三维结构模型Fig.5 Three dimensional structural model of ETABS

经计算得到YJK和ETABS 的质量、周期对比见表1，各楼层剪力对比见表2，层间位移角对比见表3。由表1～表3 可知两种软件计算结果差异很小，基本一致，且计算结果符合规范有关要求。

表1 质量、周期对比Tab.1 Quality and vibration period comparison

表2 各楼层层剪力对比Tab.2 Shear force comparison of each floor

表3 层间位移角对比Tab.3 Comparison of story drift

3.2 小震弹性时程分析

采用ETABS 进行弹性时程分析作为结构多遇地震下的补充计算，并与振型分解反应谱法的计算结果进行对比。

1.地震波选用

本工程根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［8］（以下简称《抗规》）要求选用5条天然波和2 条人工波。各时程曲线的反应谱和规范谱的对比如图6 所示，ETABS 软件下CQC与弹性时程基底剪力对比见表4，由图6 及表4可知，地震波选用满足规范要求。

图6 规范谱与各时程曲线的反应谱对比Fig.6 Comparison of response spectra between gauge spectra and time history curves

表4 ETABS中CQC与弹性时程基底剪力对比Tab.4 Comparison of CQC and elastic time history base shear in ETABS

2.附加阻尼比估算

根据《抗规》的第12.3.4 条：消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下述方法确定。

（1）消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：

（2）不计及扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能可按下式估算：

（3）非线性粘滞消能器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量可按下式计算：

式中：Fi为质点i的水平地震作用标准值（kN）；ui为对应于水平地震作用标准值的位移（mm）；λ1为阻尼指数的函数；Fdjmax为第j个消能器的最大阻尼力（kN）；Δuj为第j个消能器的相对水平位移。

计算结果见表5。本工程设计时取附加阻尼比为4%。

表5 规范法计算附加阻尼比Tab.5 Calculation of additional damping ratio by standard method

3.弹性时程分析结果

本工程分析了减震模型（有阻尼器的模型）和非减震模型（无阻尼器的模型），并将二者计算结果进行对比。其中X向1 层～3 层的层间剪力及位移角对比见表6 和表7，Y向未列出。由计算结果可知，减震结构的层间剪力减震率在17.17%～25.42%之间，由于粘滞阻尼器的屈服耗能作用，多遇地震作用下，结构的层间剪力有了明显的下降，同减震结构的层间位移角减震率在18.49%至27.63%之间，效果非常明显。综上，采用了墙式连接的粘滞阻尼器能够有效减小地震作用下结构的层间剪力和层间位移。

表6 X向结构层间剪力对比Tab.6 Comparison of X-direction interlaminar shear force

表7 X向结构层间位移角对比Tab.7 Comparison of X-direction story drift

4 大震弹塑性时程分析

4.1 模型建立

本工程采用PERFORM-3D进行结构大震性能评估，基于粘滞阻尼器的三维结构模型如图7所示。

图7 PERFORM-3D 三维结构模型Fig.7 PERFORM-3D three dimensional structure model

根据现行中国《抗规》和《建筑结构抗倒塌设计规范》（CECS 392—2014）及参照美国《Seismic Rehabilitation of Existing Buildings》，制订了如下抗震性能目标，见表8。

表8 结构抗震性能目标Tab.8 Seismic performance objectives of structures

PERFORM-3D 模型中钢筋采用随动强化模型，混凝土不考虑其受拉作用，受压采用Mander模型，以考虑箍筋对混凝土的约束，对其强度及延性的提高作用。材料通过在其特征点对“退化系数”的设置，以考虑循环荷载作用下刚度的退化。模型中普通梁和柱的弯曲破坏采用集中塑性铰进行模拟，梁采用M 铰，柱采用PMM 铰，剪切破坏采用V强度截面进行校核，消能子结构的梁和柱的弯曲和剪切破坏均采用强度截面进行校核，其中梁采用M 强度截面和V 强度截面，柱采用PMM强度截面和V强度截面；柱PMM铰与梁M铰参数设定思路相似，不同的是PMM 需考虑轴力与双向弯矩作用，还需定义屈服面；黏滞阻尼器由一个Fluid Damper（黏滞阻尼基本组件）与一个Elastic Bar（弹性杆基本组件）串联组成。

4.2 弹塑性时程分析结果

1.层间剪力及位移角

弹塑性时程分析过程中，在弹性时程分析的基础上选择三条地震波（2 条天然波和1 条人工波）进行计算分析，最终结果取三条地震波作用下的包络值。其层间剪力及层间位移角计算结果见图8 和图9。每条波的基底剪力均满足规范要求。由图9 可以看出，结构X方向最大层间位移角为1／411，出现在第3 层；Y方向最大层间位移角为1／591，出现在第3 层。层间位移角均小于1／100，满足规范要求。