某中学宿舍楼的消能减震设计与分析

杨 小 兵

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

某中学宿舍楼的消能减震设计与分析

杨 小 兵

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

介绍了消能减震的原理，分析了采用屈曲约束支撑和非线性黏滞阻尼器的某中学宿舍楼的消能减震设计方法，并经过动力时程分析结果显示:该消能减震结构能显著地降低结构的地震响应，提高结构的抗震性能。

消能减震,屈曲约束支撑,非线性黏滞阻尼器,结构

1 消能减震原理

消能减震结构体系，就是把建筑的某些构件设计成消能构件，或在建筑的某些部位装设消能装置。在风荷载作用下或小震时，这些消能构件或消能装置处于弹性状态，具有足够的刚度以满足使用要求；当出现中、强地震时，随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，使结构避免出现明显的非弹性状态，并且迅速衰减结构的地震反应(位移、速度、加速度等)，从而保护主体结构及其他构件免遭破坏，以确保主体结构的安全[1]。

地震时结构的能量转换过程可以简化为下式:

传统抗震结构：Ein=ER+ED+ES。

消能减震结构：Ein=ER+ED+ES+EA。

其中，Ein为地震时输入结构的地震能量；ER为结构地震反应的能量，即结构振动的动能和势能；ED为结构阻尼消耗的能量(一般不超过5%)；ES为主体结构及承重构件非弹性变形(或损坏)消耗的能量；EA为消能构件或消能装置消耗的能量。

对比以上两式可知，在地震作用下输入结构的能量转化为结构的动能、势能、结构阻尼耗能、变形耗能等。在消能减震体系中，消能构件或消能装置吸收了大部分能量，从而减小了主体结构承受的地震能量，达到减小结构反应，保护主体结构的目的[2]。

2 工程概况

某中学宿舍楼长98 m，宽14 m，高23 m，地下1层，地上6层，层高均为3.6 m，结构形式为钢筋混凝土框架结构，抗震等级为一级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组。结构模型如图1所示。

3 结构分析

3.1 地震波的选用

本工程设计采用7条地震波：人工地震波2条(RH2波,RH4波)和天然地震波5条(ELC波,OLY波,TH1波,TH4波,TAF波)。

3.2 等效附加阻尼比的计算

为了确定结构设置黏滞阻尼器以后结构总等效阻尼比的数值，本工程采用ETABS软件进行了结构在7条地震波(2条人工波、5条天然波)作用下的结构减震分析，同时为便于对比，在10%阻尼比条件下采用SATWE软件对该结构进行了计算分析，基于ETABS和SATWE两种软件的结构楼层剪力和层间位移角的计算结果见表1～表4。结果表明：采用ETABS模型计算得到的实际楼层剪力和层间位移角优于SATWE模型采用10%阻尼比计算得到的折算楼层剪力和层间位移角，说明通过在结构增设非线性黏滞阻尼器，能够达到5%附加阻尼比的减震控制要求，且一定程度上改善了结构的抗震性能，结构可以采用10%总等效阻尼比进行设计，偏于安全。

表1 多遇地震X向ETABS减震模型各层剪力和SATWE 10%阻尼比模型各层剪力对比

表2 多遇地震Y向ETABS减震模型各层剪力和SATWE 10%阻尼比模型各层剪力对比

表3 多遇地震X向ETABS减震模型层间位移角倒数和SATWE 10%阻尼比模型层间位移角倒数对比

表4 多遇地震Y向ETABS减震模型层间位移角倒数和SATWE 10%阻尼比模型层间位移角倒数对比

3.3 消能构件布置

为使结构在多遇和罕遇地震作用下能满足规范[3]的要求，提高整体结构的抗震安全性能，经计算，共选用28个屈曲约束支撑和15个非线性黏滞阻尼器，其中：X方向布置6个非线性黏滞阻尼器、Y方向布置28个屈曲约束支撑和9个非线性黏滞阻尼器。屈曲约束支撑和非线性黏滞阻尼器的安装示意图分别见图2和图3，屈曲约束支撑和非线性黏滞阻尼器的设计参数见表5和表6。

表5 屈曲约束支撑参数

表6 非线性黏滞阻尼器参数

3.4 结构水平剪力计算

多遇地震作用下，结构X向,Y向层间剪力计算对比分别见表7和表8。由表可见，在多遇地震作用下，减震结构与非减震结构相比，结构层剪力有较大幅度衰减，X方向最大减震效果达31.53%，Y方向最大减震效果达40.31%。可见，结构中增设减震装置后，有效提高了结构的抗震性能。

表7 多遇地震下X向层间剪力对比

表8 多遇地震下Y向层间剪力对比

3.5 结构水平位移计算

多遇、罕遇地震作用下，减震结构X向，Y向层间位移角倒数的计算值分别见表9～表12。由表可见，在多遇地震作用下，非减震结构弹性层间位移角较大，在采取消能减震后，X向层间位移角明显减小，最大减震效果达32.7%；Y向层间位移角亦有较大幅度减小，最大减震效果达到41.82%。在罕遇地震作用下，结构的层间位移角限值均满足规范[3]的要求，在采取消能减震后，X向层间位移角减小，减震效果达13.20%；Y向层间位移角也有一定地减小，最大减震效果达到42.13%。可见，结构中增设减震装置后，有效提高了结构的抗震性能。

表9 多遇地震下X向层间位移角倒数(1/θ)

表10 多遇地震下Y向层间位移角倒数(1/θ)

表11 罕遇地震下X向层间位移角倒数(1/θ)

表12 罕遇地震下Y向层间位移角倒数(1/θ)

4 结语

通过对某中学宿舍楼进行消能减震设计并对其进行动力时程分析，得到以下结论：

屈曲约束支撑(BRB)，是一种有效的耗能减震构件，无论受拉还是受压都能达到承载全截面屈服的轴向受力构件，表现出相同的滞回性能和优良的耗能能力，这种特性使它既能为主体提供必要的抗侧刚度，又可为主体结构提供一定的附加阻尼，降低结构在地震作用下的反应。BRB的应用解决了普通支撑发生失稳破坏的问题，较之传统的支撑构件，它具有更稳定的力学性能。采用BRB的结构延性好，耗能强，而且施工进度快，质量可靠。

黏滞阻尼器作为速度相关型阻尼器，小震下可以产生较小阻尼力，起到一定的消能减震作用，中、大震下则能够消耗更多的地震能量。

BRB和黏滞阻尼器作为结构耗能元件，可起到类似“结构保险丝”的作用，既可保护主体结构构件，又可在遭遇大震或特大震后，起到防止倒塌的关键作用，即便受损也可方便更换，可减小地震后的修复时间和费用。安装BRB和黏滞阻尼器的建筑物经受强烈地震后，主体结构将不破坏或少破坏，从而保护建筑物内生命和财产安全，建筑物不仅能保证“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本抗震设防目标，还可达到更高的设防目标“小震经济，中震不坏，大震易修，余震不倒”，是新型节能、环保、低碳、绿色的技术，消能减震结构体系和传统抗震体系相比具有安全、经济、技术合理等特点，为“以刚克刚”的传统抗震设计理念向“以柔克刚”的科学理念转化提供了行之有效的技术保障。

[1] 周 云.耗能减震结构抗震加固设计[M].北京：科学出版社，2006.

[2] 苏冠兴，李世宏.中小学教学楼消能减震设计与分析[J].建筑结构,2013(sup):5.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

On design and analysis of seismic energy dissipation in dormitory buildings of some middle school

Yang Xiaobing

(ArchitecturalDesignandResearchInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The paper introduces the principle for the seismic energy dissipation, analyzes the dissipation design methods of adopting the buckling restraining brace and non-linear viscous damper in the dormitory building of some middle school, and proves by the analysis results of the dynamic and time-historical analysis that the dissipation structure can obviously lower the seismic response of the structure and improve its anti-seismic performance.

seismic energy dissipation, buckling restraining brace, non-linear viscous damper, structure

2015-01-05

杨小兵(1981- )，男，工程师

1009-6825(2015)08-0056-02

TU352

A