高烈度区某框架结构减震分析与设计

2021-10-16卜丹

工程建设与设计 2021年15期

卜丹

（湖南省建筑设计院集团有限公司，长沙410012）

1 工程概况

本项目为海口国家高新区某工业园生产研发配套楼，总建筑面积11 500 m2，建筑总高度为29.4 m，地上7 层，地下1 层，1 层层高5.4 m，2 层层高4.5 m，标准层层高3.9 m，主要柱网尺寸为9 m×9 m。结构安全等级为二级，设计使用年限50 a，抗震设防类别为丙类，场地抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值0.30 g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，建筑场地特征周期为0.40 s，水平地震影响系数最大值为αmax=0.24。

2 结构方案比选

本工程位于高烈度地区，可采用常规“抗震”结构通过加大结构构件尺寸、加强抗震构造措施等方式来提高结构的抗震承载力；也可采用“消能减震”结构，通过设置消能构件以消耗吸收地震能量达到减震的目的。

本工程对框架和框剪2 种结构类型的抗震方案和减震方案进行比选，主要对比方案及结果见表1。结果表明，阻尼器提供3.5%附加阻尼比时各方案的主要计算指标均能满足规范要求。其中，减震方案的基底剪力较抗震方案减小约20%～30%、结构周期延缓10%～20%，说明阻尼器具有良好的耗能作用，减小了结构地震响应。减震方案的构件尺寸和总质量更小，综合造价减小，建筑使用面积和净空更大，大大提高了建筑空间利用率。综合比较，减震方案更优。

表1 结构方案对比

本工程建筑高度为29.4 m，框架结构和框架剪力墙结构均可采用，因建筑功能布置原因，本工程框架剪力墙结构的剪力墙只能布置在中间交通核区域。因建筑高度不大，内筒集中布置的剪力墙会加大结构的扭转效应，为提高外围抗侧刚度，不得不加大外框梁柱尺寸，致使框架部分分担的地震力很大，二道防线作用不明显。框架剪力墙结构比框架结构刚度更大，结构总质量和地震作用也更大，材料造价更高，4 个对比方案中框架减震方案造价最小，框剪抗震方案造价最大。综上，本工程采用框架结构减震方案。

3 减震结构分析

3.1 减震方案确定

结合本工程的特点，消能减震结构设计拟采用框架-黏滞阻尼器（VFD）的结构形式。黏滞阻尼器是速度相关型阻尼器，工作原理是在地震下利用其内部黏性流体材料通过内部孔隙产生阻尼力从而达到耗能的目的。黏滞阻尼器不提供附加静刚度，仅提供动刚度和阻尼，不影响结构自振周期，可以有效地减小基底剪力和结构位移响应，布置灵活，在医院、学校等多层框架结构中应用广泛。本工程黏滞阻尼器布置在结构3～7 层，共60 个，典型楼层的阻尼器平面布置如图1 所示。

图1 典型楼层阻尼器布置图

3.2 多遇地震下减震结构分析

黏滞阻尼器的力学模型为F=CVα，式中，F 为阻尼力；C为阻尼系数；V 为设计速度；α 为阻尼指数。由上式可见，阻尼力与速度呈非线性关系。因此，采用时程分析法比反应谱法能更准确地分析结构响应。本工程选取3 条地震波进行弹性和弹塑性时程分析，其中2 条天然波、1 条人工波，均满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）[1]5.1.2 条中的选波规定。

对比多遇地震作用下抗震方案和减震方案的弹性时程分析及振型分解反应谱法分析结果如表2 所示，减震方案的振型反应谱法设计仍考虑3.5%的附加阻尼比。结果表明，反应谱分析法得到的基底剪力最大，3 条地震波减震方案与抗震方案基底剪力的比值在0.68～0.77，减震率达到20%～30%，与反应谱分析法的减震效果相近。计算得到的X方向和Y 方向最小的附加阻尼比分别为4.52%和4.61%，大于反应谱设计中取3.5%的附加阻尼比，这说明采用反应谱分析法考虑3.5%的附加阻尼比模型进行多遇地震下的分析设计是偏于可靠的。

表2 多遇地震作用下抗震与减震方案结构对比

3.3 罕遇地震下减震结构抗震性能复核

大震弹塑性时程分析层间位移角结果见图2，减震结构X 方向最大位移角为1/121，Y 方向最大位移角为1/118，均小于JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]中弹塑性位移角的限值要求。结果表明，阻尼器大震下继续处于耗能状态，其滞回曲线饱满，大震下阻尼器典型滞回曲线如图3 所示。框架梁屈服状态为轻微屈服，大部分框架柱保持弹性，没有出现屈服；框架梁的塑性铰出现在两端，且损伤程度大于框架柱，符合“强柱弱梁”的抗震设计要求。