某混凝土框架结构消能减震设计分析研究

钟建海，金 阳

（浙江省城乡规划设计研究院，浙江 杭州 310030）

地震是板块挤压或火山喷发引起地壳在短时间内释放大量能量的过程，并会随着不规律的振动产生地震波［1］。在一年的时间内，平均全球发生大大小小地震500万次左右，意味着平均每6秒就会发生一次地震；中国绝大部分省份都发生过地震震级在6级以上的强烈地震［2］。

消能减震技术是在建筑主体位移较大的部位设置阻尼器，由阻尼器连接结构主体的两端。地震作用下阻尼器两端产生相对运动，导致阻尼器发生相对加速度、速度及位移。地震动的能量转化为阻尼器的塑性应变能或热能，消耗部分建筑承受的地震能量，达到减震的效果。消能部件是用来连接阻尼器和结构主体，例如支撑、剪力墙、连接件等构件，消能装置一般安装在结构变形较大处，如层间、空间、节点、连接缝等部位。在小风作用下或多遇地震时，消能装置和结构均需处于弹性工作状态，结构变形、位移等不能超过规范要求的正常使用极限状态；在强风作用下或遭遇设防地震和罕遇地震时，结构位移较大，使得消能减震装置提供附加阻尼，吸收和耗散地震和风振产生的能量，进一步减少或消除建筑结构的塑性变形，保护结构重要部位发生不可逆转的破坏。

1 工程概况

该建筑的基本信息如下：

1）3层（局部存在突出屋面楼电梯间）；

2）钢筋混凝土框架结构，建筑高度为11.44 m；

3）抗震设防烈度：8度（0.2 g）；

4）场地类别：Ⅱ类；

5）设计地震分组：第三组；

6）场地特征周期：0.45 s；

7）框架抗震等级：二级；

8）结构固有阻尼比：5%；

9）多遇地震下Tg=0.45 s，地震影响系数αmax=0.176，时程最大加速度Amax=77 cm／s2（因建筑处于坡地，考虑地震作用放大1.1倍）；

10）罕遇地震下Tg=0.50 s，地震影响系数αmax=0.99，时程最大加速度Amax=440 cm／s2（因建筑处于坡地，考虑地震作用放大1.1倍）；

11）抗震设防分类：丙类。

建筑模型图见图1。

图1 建筑模型

根据房屋结构实际情况，结合实际建筑允许的支撑布置位置来布置粘滞消能支撑。

阻尼器主要力学参数见表1。

表1 粘滞阻尼器力学参数

2 地震动选择

为了在计算中较精确模拟消能器的非线性性质，一般都是进行地震时程分析，即按《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》［3］要求，该减震结构的地震响应计算应采用动力时程分析法，且输入时程应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于2组实际强震记录和1组拟合设计反应谱的人工模拟加速度时程，最后计算评价指标应取这3条时程响应的最大计算结果或5组实际强震记录和两组人工时程的平均时程响应平均值。

《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2／3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。从工程角度考虑，这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求。但计算结果也不能太大，每条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%。根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》对5.1.2条的条文说明，所谓“在统计意义上相符”指的是，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。

根据抗规要求，本工程实际选取了5条天然地震波和2条人工波，地震波反应谱曲线见图2。基底剪力对比结果见表2、表3。

表2 7条地震波时程分析与振型分解反应谱法计算X向得到的底部剪力对比 kN

表3 7条地震波时程分析与振型分解反应谱法计算Y向得到的底部剪力对比 kN

图2 地震动反应谱

3 减震效果分析

为后续描述简单，本报告约定将未设置消能支撑的房屋主体结构记为“ST0”；将设置消能支撑之后的房屋结构记为“ST1”。

3.1 多遇地震

在8度（0.2 g）小震作用下，对ST0结构和ST1结构分别输入7条地震时程，相关计算结果见表4～11。层间位移角计算结果表明，在8度（0.2 g）小震作用下，ST1结构层间位移角满足《云南省建筑消能减震设计与审查技术导则》关于钢筋混凝土框架结构层间位移角限值要求，且明显小于ST0结构；层间剪力计算结果表明，ST1结构各减震楼层在8度（0.2 g）小震时程作用下的层间剪力相比于原结构均有减小。可见，消能支撑在多遇地震作用下已承担了部分地震作用，起到了较好的减震效果。

表4 原结构ST0在8度（0.2 g）X向小震作用下7条地震波计算层间位移角结果 kN

表5 原结构ST0在8度（0.2g）Y向小震作用下7条地震波计算层间位移角结果 kN

表6 减震结构ST1在8度（0.2 g）X向小震作用下7条地震波计算层间位移角结果 kN

表7 减震结构ST1在8度（0.2 g）Y向小震作用下7条地震波计算层间位移角结果 kN

表8 原结构ST0在8度（0.2 g）X向小震作用下7条地震波计算层间剪力结果 kN

表9 原结构ST0在8度（0.2 g）Y向小震作用下7条地震波计算层间剪力结果 kN

表10 减震结构ST1在8度（0.2 g）X向小震作用下7条地震波计算层间剪力结果 kN

表11 减震结构ST1在8度（0.2 g）Y向小震作用下7条地震波计算层间剪力结果 kN

3.2 罕遇地震

对减震结构和非减震结构进行罕遇地震弹塑性时程分析，结构弹塑性层间位移角统计结果见表12～15。由计算结果可知，ST1结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角明显小于ST0结构。

表12 X向罕遇地震作用下ST0结构层间位移角

表13 Y向罕遇地震作用下ST0结构层间位移角

表14 X向罕遇地震作用下ST1结构层间位移角

表15 Y向罕遇地震作用下ST1结构层间位移角

4 结 语

本文使用ETABS软件分别对ST0结构和ST1结构在8度（0.2 g）多遇地震作用下进行时程分析，并对结构反应进行了对比；采用PERFORM-3D软件对ST0结构和ST1结构在罕遇地震作用下的结构性能状态进行了对比分析。具体结论如下：

1）在多遇地震作用下，ST1结构的地震响应相较于ST0结构已有一定的降低，消能支撑在多遇地震作用下已承担了部分地震作用，起到了较好的减震效果。

2）通过罕遇地震下的对比分析，增设消能支撑后，较大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主体结构的塑性损伤，显著改善了结构的整体抗震性能；ST1结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角明显小于ST0结构，且满足1／100的限值要求，满足“大震不倒”的要求。