某小学连廊消能减震设计方法研究

陈丁刚 ,白谨玮

云南省设计院集团有限公司，云南昆明650228

摘要：某小学连廊运用了黏滞消能器进行消能减震设计，减震分析之中包含了多遇地震与罕遇地震作用下结构的弹性分析与塑性分析。根据预期的水平地震力和位移控制要求及耗能参数，估算结构的附加刚度和附加阻尼比，选择合适的耗能减振器类型并配置在相应位置。通过分析可知该结构由于添加了黏滞阻尼器从而具备良好的抗震性能，在地震作用下发挥了良好的耗能能力，保障了主体结构的安全，达到了预期的目标。

关键词：黏滞阻尼器；框架结构；消能减震分析设计；时程分析

0 引言

在云南省地震区、特别是高烈度地震区的工程抗震中，通过在建筑物的抗侧力体系中设置消能部件[1]，由消能部件的相对变形和相对速度提供附加阻尼[2]和附加刚度，来消耗输入结构的地震能量，减小结构的地震响应，提高结构的抗震能力。本工程属重点设防类，采用消能减震设计来进一步提高建筑物的可靠性和安全性。

1 工程概况及结构设计方案

1.1工程概况

本项目建筑用途为学校。该建筑高度为10.75m，整体结构为钢筋混凝土框架结构,抗震设防烈度为8度（0.3g），地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类,整栋建筑物框架抗震等级为一级。上部结构为2层，属于重点设防类，乙类建筑。根据《建设工程抗震管理条例》及《建筑消能减震应用技术规程》DBJ53T-125-2021要求，本项目采用减震技术。经综合考虑，最终选用墙式黏滞消能器减震技术。

图 1  结构模型图

1.2 结构设计方案

主体结构设计贯穿了强柱弱梁、强剪弱弯的原则，结构形式为采用消能减震技术的钢筋混凝土框架结构，其抗震构造措施均按规范要求执行。消能减震结构是将消能部件布置在填充墙的位置，只需要加强与之相连的框架梁、柱，不会影响和改变任何建筑功能。

2 消能减震方案

2.1消能减震方案

本工程采用墙式黏滞消能器作为消能减震部件，根据消能器的参数核算，结构总阻尼比和刚度提高至预定值；对其结果进行分析可知：原来按常规传统方法直接进行抗震计算所遇到的种种问题均得到较好的解决，增强了本工程的结构安全性，提升了建筑抗震能力，对建筑有着重大意义。

2.2结构减震目标和性能目标

消能减振器连接部件及节点的性能目标及设计方法见表1、表2。

表 1  减震目标
结构类别		项目	规范要求				减震目标
钢筋混凝土 框架结构		层间位移角	设防		1/400		/
			罕遇		1/50		1/100
表 2  性能目标
名称	项目			性能目标		设计方法
主体	多遇地震			全楼完全弹性		工况组合采用考虑各种系数的设计组合, 材料强度采用设计值
消能	消能器悬臂墙			大震弹性		以大震下构件的弹性内力进行截面设计和稳定性验算，材料强度采用设计值
部件	周围框架及节点			满足极限要求		以大震下构件的弹性内力进行配筋，材料强度采用极限值；与之相邻的框架梁柱根据“强柱弱梁”原则进行设计；并验算节点。

3 消能减震器布置方案

3.1减震器布置图

减振器的位置：在楼层平面内布置遵循“均匀，分散，对称”的原则，具体布置位置见图2。

图 2  一层减震器平面布置图

图 3  减震器大样图

4 模型的建立与对比

该小学连廊为钢筋混凝土框架结构。模型是根据YJK模型得到的，由YJK软件导入SAP。

图 4  SAP2000模型图

比较了SAP和YJK计算的质量、周期和层间剪力、层间位移和层间位移角，以此来检验所建立的结构模型的准确性，如表3、表4和表5所示。

表 3  结构质量对比/（Ton）

YJK	SAP2000	差值(%)
3671	3652	0.5

表 4  结构周期对比(前三阶）/s

周期	YJK	SAP2000	差值(%)
1	0.281	0.8	0.28
2	0.263	0.6	0.26
3	0.255	3.1	0.25

表 5  结构地震剪力对比

层数	YJK		SAP2000		差值(%)
	X	Y	X	Y	X	Y
2	5715	5030	5768	5088	0.92	1.16
1	21621	20595	22196	21347	2.6	3.5

结合对比计算分析结果，各层结构质量、周期、剪力差异不大，所以两个软件所建立的模型基本一致。

5 地震波选取

本工程共选取了实际5条强震记录和2条人工加速度时程曲线。地震波的反应谱曲线及加速度时程曲线如5图、图6所示：

图 5  地震波的反应谱曲线

图 6  加速度时程曲线

6 弹性时程分析

   利用SAP2000建立弹塑性时程分析[7]的减震和非减震结构模型，其中SAP模型中的黏滞阻尼器采用非线性元件Damper模拟[8]。表6、7分别为分析后得出的减震与非减震结构X向和Y向的楼层剪力、楼层层间位移角。

表 6  楼层剪力对比表

楼层	X向
	层间剪力
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	3360	3299	2781	3156	3449	3918	4048	3430
1	15582	14587	13493	14017	15505	18656	16371	15459
楼层	Y向
	层间剪力
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	3191	3158	2971	3068	3474	4267	3603	3390
1	15743	14958	17353	13554	16918	20859	15550	16419

表 7  楼层层间位移角

减震结构层间位移角（1/rad）
X向
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	1181	1180	999	943	977	1019	1007	499
1	986	1020	822	804	884	998	883	641
Y向
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	975	1076	855	853	919	988	838	922
1	990	1072	807	796	797	914	833	876

7 结构弹塑性时程分析

7.1建立大震模型

本工程使用大型有限元分析软件SAP2000进行减震结构的弹塑性时程分析。除子结构外，主体结构框架梁、柱均定义塑性铰[9]。

图 7  大震下减震结构模型

弹塑性时程分析过程中，按七条地震波进行计算分析，最终结果取七条地震波作用下的平均值。为了分析结构在不同地震波、不同地震输入方向作用下结构的弹塑性性能，对结构进行单向地震输入作用下的弹塑性动力性能进行分析，得出结构地震作用响应结果，如位移、塑性铰分布等。根据《云南省隔震减震建筑工程促进规定实施细则》第七条规定，应通过设置消能减震装置减小结构的水平地震作用，使建筑抗震性能明显提高。罕遇地震作用下阻尼器耗能占比不小于20%。

表 8  大震下非减震和减震的结构层间位移角

楼层	X向
	大震下非减震结构层间位移角
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	562	528	516	508	493	531	503	519
1	455	479	412	406	441	466	440	441
楼层	Y向
	大震下非减震结构层间位移角
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	451	490	408	513	431	457	454	455
1	463	469	390	442	431	430	446	437
楼层	X向
	大震下减震结构层间位移角
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	809	769	746	696	708	718	724	737
1	705	735	615	582	662	704	665	663
楼层	Y向
	大震下减震结构层间位移角
	R1	R2	T1	T2	T3	T4	T5	平均值
2	612	711	568	625	611	619	610	620
1	618	692	528	567	557	577	566	582

7.2 结构出铰情况

依据抗规所得，结构在地震作用下必须具有合理的耗能机制，容许结构在大震作用下部分构件进入塑性,其目的是为了能够保障“大震不倒”这一原则。结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。本节列举了T1号波在弹塑性分析过程中结构的变化如图8、图9所示。

图 8  T1号波X向单向输入时结构构件出铰情况

图 9  T1号波Y向单向输入时结构构件出铰情况

7.3 罕遇地震作用下减震结构消能器耗能占比

七组地震波阻尼器耗能与总输入能量的平均值及占比如下表所示：

表 9 罕遇地震作用下减震结构消能器耗能占比

时程波	结构总输入能量(kN·m)	阻尼器耗能(kN·m)	阻尼器耗能占比
X	14810	4147	28%
Y	16507	4292	26%

8、结论

本文对结构的整体模型进行了弹性和弹塑性时程分析，采用不同地震波分析了结构在X向单向和Y向单向地震输入时结构的抗震性能，主要结果总结如下：

（1）结构主体在设防地震作用下具有弹性，粘滞阻尼器在设防地震作用下贡献了附加阻尼比，因此在设防地震作用下开始屈服并消耗能量。

（2）罕遇地震，构件开始进入塑性，框架梁先有梁铰，柱有柱铰，所以结构满足“强柱弱梁”的要求。

（3）在大地震作用下进入塑性并出现塑性铰的只有部分结构构件。减震结构X向的最不利层间位移角为1/435，减震结构Y向的最不利层间位移角为1/506。添加了粘滞阻尼器的结构保障了结构的安全性，具备了良好的抗震耗能机制，达到了预期的目标，

（4）在罕遇地震下，所有阻尼器均进入一个塑性滞回耗能状态，在能耗方面起到了很好的作用，为主体结构提供了安全技术保障。

参考文献

[1]林新阳,周福霖.消能减震的基本原理和实际应用[J].世界地震工程,2002(03):48-51.

[2]杨朋超,薛松涛,谢丽宇.消能减震建筑结构的附加有效阻尼比估计[J].建筑结构学报,2020,41(S1):341-348.

[3] 建筑工程抗震设防分类标准:GB 50223—2008[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.

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

[5] 建筑消能减震技术规程:JGJ 297—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[6]汪大洋,周云,王烨华,丁鲲.粘滞阻尼减震结构的研究与应用进展[J].工程抗震与加固改造,2006(04):22-31.

[7] 北京金土木软件技术有限公司, 中国建筑标设计研究院.SAP2000中文使用指南[M].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

[8]李志山,容柏生.高层建筑结构在罕遇地震影响下的弹塑性时程分析研究[J].建筑结构,2006,36(S1):201-208.

作者简介：

陈丁刚（1985~），男，硕士，高级工程师，主要从事建筑结构设计研究.