大理市某中学宿舍楼消能减震分析与设计

摘要：大理市某中学宿舍楼建设项目是高烈度区典型的学校类建筑，主体结构采用了框架结构，采用了基于摩擦型抗震消能器的消能减震技术进行主体结构设计，摩擦型消能器采用了墙式连接，在小震下起滑耗能，为主体结构提供一定的刚度和附加阻尼比。对消能减震结构进行了反应谱分析，小震时程分析，罕遇地震弹塑性时程分析，并与常规结构进行了对比，分析了减震效果。采用消能减震技术，显著改善了结构指标，减小了地震作用，提高了结构的抗震性能。

关键词：学校建筑;消能减震;高烈度区;摩擦消能器;墙式连接;附加阻尼比

Abstract： A middle school dormitory building is a typical educational building in high earthquake intensity regions. The main structure is designed with seismic energy dissipation technology based on friction energy dissipation device. The main building is frame structure. The fiction energy dissipation device slips under multiple earthquake and it provides a certain additional stiffness and additional damping ratio. The energy dissipation structure was analysised by response spectrum method， time history analysis and elastic-plastic time history analysis. The analysis results is compared to conventional structure. The seismic performance and structure index is improved by energy dissipation technology. The seismic effect is significantly reduced.

Keywords： school building; energy dissipation; high intensity regions; friction energy dissipation device;wall connection;  additional damping ratio

1  工程概況

本工程为学校建筑，地上6层（局部7层），结构高度18.0m，建筑面积3865m2。根据《云南省隔震减震建筑工程促进规定》属于必须采用减隔震技术的建筑工程。为符合政策法规要求，并实现本项目结构设计的安全、合理、经济，切实提高本工程的抗震性能，依据国家相关规范及云南省的相关规定进行了本工程的消能减震设计。

根据本项目业主和建筑要求，采用了基于墙式连接的摩擦型抗震阻尼器的消能减震方案。本工程中所有摩擦型抗震阻尼器在小震下起滑耗能，阻尼器为结构提供一定的刚度的同时，在结构的两个主要方向上为主体结构提供一定的附加阻尼比，在中大震下持续稳定耗能。

结构设计参数方面，本工程抗震设防分类为乙类，抗震设防烈度为8度0.20g，场地类别为II类，特征周期0.45s。

作为高烈度区的框架结构，地震作用较大，结构自身的抗侧抗扭刚度较弱，层间位移大，常规结构手段设计梁柱尺寸配筋均较大，从结构设计角度，采用消能减震技术是合适的。

《云南省隔震减震建筑工程促进规定》第三条第二点指出，8度以上区域内单体建筑面积1000平方米以上的重点设防类、特殊设防类建筑工程应当采用隔震减震技术。因此从政策角度来看本项目也必须采用隔震减震技术。

1.1消能减震设计的规范及政策依据

《建筑抗震设计规范》        GB50011-2010

《建筑消能减震技术规程》    JGJ297-2013

《混凝土结构设计规范》      GB50010-2010

《钢结构设计标准》          GB50017-2017

《云南省隔震减震建筑工程促进规定》及细则

《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》

（下文中分别简称抗规、消规、混规、钢规、云南省细则、云南省导则）

1.2 消能减震方案

1.2.1 阻尼器选型

本项目属于高烈度区项目，主体结构为框架，同时存在地震力较大及刚度较弱的问题，因此从技术角度考虑，采用可同时提供刚度和小震下附加阻尼比的阻尼器类型较为适用，《建筑消能减震技术规程》中3.1.5条指出“金属消能器、摩擦消能器和黏弹性消能器能为主体结构提供附加阻尼比和附加刚度”，因此这三种阻尼器较为适用。

从经济性角度考虑，《建筑消能减震技术规程》中3.1.5条也指出金属消能器与摩擦消能器费用较低。

根据规范建议，同时考虑本工程希望提供较高的附加阻尼比，方便子结构设计，最终选定摩擦型抗震阻尼器进行本工程的消能减震设计。

1.2.2 阻尼器布置

阻尼器的布置遵循规范建议的“对称、周边、均匀、分散”的原则，布置在结构的主要楼层上，布置情况如下：

本单体的阻尼器布置及附加阻尼比情况如表1所示。

1.2.3 阻尼器的连接形式

考虑到本工程的建筑接结构特点，采用性价比较高的墙式连接形式，也称中间柱型连接，既能满足结构要求，也可完全放置于建筑墙体中，不对建筑的使用和外观产生影响。

2  消能减震计算分析

2.1  多遇地震反应谱分析

采用PKPM软件进行了本项目消能减震结构的小震反应谱分析。

对于小震反应谱分析中的消能部件的有效刚度和抗震阻尼器提供的附加阻尼比，则按照《建筑消能减震技术规程》6.3.3条或6.3.4条规定的反应谱迭代的方法计算。

计算结果表明，结构位移满足规范要求，且有一定余量，最大位移角为1/645，满足云南省不大于1/610的要求，同时附加阻尼比计算结果的80%大于目标附加阻尼比3.0%的要求。结构无明显扭转，也无薄弱层和软弱层，整体结构计算结果满足要求。

2.2  多遇地震时程分析

采用MIDAS/gen进行了消能减震结构的小震时程分析，对阻尼器进行了真实建模，阻尼器单元采用了一般连接单元，按照实际的连接墙及阻尼器参数输入计算模型中。

选择7条地震波进行小震时程分析，结果表明阻尼器工作状况符合设计要求，结构指标均可被反应谱结果所包络。

2.3  罕遇地震弹塑性时程分析

《建筑抗震设计规范》中5.5.2条规定：采用隔震和消能减震设计的结构，应进行弹塑性变形验算，同时为进一步验证本工程消能减震结构在大震下的性能以及阻尼器的工作情况，采用MIDAS GEN软件进行了罕遇地震作用的动力弹塑性时程分析。选用地震波与前文中的小震弹性时程分析是一致的（验算表明，罕遇地震下场地特征周期增加0.05秒后，所需地震波仍然满足与反应谱在统计意义上相符的要求），共进行了七条波，每条波均对X、Y向分别进行了动力弹塑性时程分析。

分析模型中框架梁的塑性铰采用My、Mz方向的弯曲铰，滞回模型采用修正的武田三折线模型，参数设置如图6所示。框架柱的塑性铰采用PMM铰，滞回模型采用随动硬化模型，参数设置如图7所示。

罕遇地震结果统计如下表所示（以X向为例），X、Y向罕遇地震作用下的最大层间位移角分别为1/156和/144，均满足规范1/50的要求，也满足云南省1/100的要求，可见采用消能减震技术手，结构的抗震性能良好。

X向在人工波1罕遇地震作用下的最终出铰图如图8所示，大部分的框架梁和部分框架柱均出现了塑性铰，其中框架梁多数出现第一阶至第二屈服阶段的塑性铰;框架柱出现的塑性铰多数为第一阶段屈服，部分位置出现第二屈服阶段的塑性铰，实际施工图设计时将对这些位置的构件配筋进行有针对性的加强，总体来看框架柱的塑性铰开展程度较轻，结构塑性开展情况符合抗震概念设计和结构设计要求。其余地震波工况下结构出铰均类似。

3  消能减震专项设计

3.1  消能器的设计位移

根据罕遇地震计算结果，确定了阻尼器的设计位移如表5所示，设计位移将作为阻尼器的检测依据。

3.2  减震效果分析

为反应阻尼器的作用，将弹塑性分析的模型去除所有的消能部件，主体结构配筋和构件尺寸不变，形成非减震结构，对此非减震结构再进行了罕遇地震作用的弹塑性分析，对比减震结构与非减震结构罕遇地震下各层七条波平均位移角如表7所示。可见减震结构的位移角与非减震结构对应楼层的位移角之比值的最小值小于75%，提现了消能减震结构在抗震性能上的优势，符合云南省的要求。

3.2  消能子结构的设计

由《建筑消能减震技术规程》中6.4.2条第1款：消能子结构中梁、柱、墙构件宜按重要构件设计，并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应，其值应小于构件极限承载力。

按照规范要求，对本工程的所有消能子结构（与消能部件直接相连的结构构件）按重要构件设计，如消能部件布置竖向不连续，则最下部的消能子结构往下延伸一层的竖向构件也按消能子结构设计。

所有消能子结构进行罕遇地震作用的复核验算，地震和其它荷载作用取标准值，材料强度取极限值，对消能子结构的框架梁进行受弯、受剪的验算，对消能子结构的框架柱，采用PM包络线按压弯构件进行验算（典型算例如图10所示），验算结果表明所有消能子结构的框架梁柱均满足规范要求。

3.3  消能器节点设计

《建筑消能减震技术规程》7.1.5条规定消能器的支撑或连接元件或构件、连接板应保持弹性;7.1.6 与位移相关型或速度相关型消能器相连的预埋件、支撑和支墩、剪力墙及节点板的作用力取值应为消能器在设计位移或设计速度下对应阻尼力的1.2倍。

消能器相关节点采用大震弹性设计，消能器出力取极限值，材料强度取设计值。

消能器两侧应注意预留不小于设计位移的变形空间，采用柔性材料填充，同时消能器所在砌体位置应采用专门做法，防止墙体开裂或漏水。

4  結论

对某高烈度区的教育类建筑的消能减震方案及设计进行了计算分析，得出如下结论：

1）选用阻尼器为规范推荐的常用阻尼器类型，产品类型及连接形式应用较多，成熟可靠;

2）阻尼器数量、布置符合规范要求;

3）减震结构的整体指标符合规范要求;

4）小震反应谱、小震时程分析计算结果符合预期目标;

5）结构罕遇地震的弹塑性分析结果符合规范要求;

6）阻尼器的工作状态符合设计要求;

7）减震效果明显，消能减震结构的减震率符合要求;

8）阻尼器的连接和节点按大震弹性设计，设计原则符合规范要求;

9）消能子结构按规范要求进行专项设计，按小震计算结果和罕遇地震结果进行复核，符合规范要求。

本工程的目前已顺利通过了抗震专项审查及施工图审查，减震方案经济合理，值得在高烈度区的类似项目中借鉴。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[2] 混凝土结构设计规范 GB 50010-2010[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[3] 建筑消能减震技术规程： JGJ 297-2013[S].中国标准出版社，2012

[4] 建筑消能阻尼器 JG/T 209-2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2011

[5] MIDAS/GEN 用户手册[M]. 北京：北京迈达斯技术有限公司，2008

作者简介：杨青（1985– ），女，工程师，主要从事结构设计工作。