张兵
(中国建筑科学研究院有限公司,北京100013)
某学校教学楼项目建筑面积12 170.32m2,为重点设防类(乙类),采用减震设计。抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,地震分组为第三组,场地类别为Ⅲ类。结构设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为一级。
本工程采用减震设计的钢筋混凝土框架结构;基础设计等级为乙级。基础采用预应力混凝土管桩,成桩直径500mm,桩端持力层为黏土层,极限端阻力标准值为2200kPa。经分析计算,地基承载力及沉降严格按相关规范要求计算,结果显示,基础沉降变形满足规范要求。
教学楼上部结构7层,1层地下室,建筑屋面高度27.90m,平面不规则,划分为1个抗震单元,结构形式为钢筋混凝土框架结构,局部增设剪切型金属抗震阻尼器,采用减震技术。上部框架抗震等级为一级,采取比一级更有效的抗震构造措施。上部结构用SAP2000进行多遇地震下的复核与弹性时程分析。
本工程主要遵循以下设计原则:
1)本工程减震设计的要求为:在多遇地震的作用下,其建筑结构须完全保持弹性,且非结构构件无明显损坏;在罕遇地震的作用下,其消能减震器系统的功能仍能正常发挥[1]。
2)本工程减震设计主要依据预期的水平向地震力和位移控制要求及耗能等参数,估算出减震结构所需附加刚度和附加阻尼比,据此选择合适的消能减震器型号,并配置在适当的位置。
3)阻尼器通常配置在层间相对位移或相对速度较大的楼层,同时采用合理的连接形式增加消能减震器两端的相对变形或相对速度,提高消能减震器的减震效率。
4)消能子结构梁、柱和墙截面的设计应考虑消能阻尼器在极限位移或极限速度下的阻尼力作用[2]。
5)对含消能阻尼器的结构进行整体分析,包含各个不同地震作用下结构的弹性分析及弹塑性分析。
6)消能阻尼器与主结构之间的连接部件需适当设计,使其在罕遇地震的作用下仍维持弹性或不屈状态[3]。
消能减震结构主要是通过设置消能减震装置控制结构在不同烈度地震作用下的预期变形,从而达到不同等级的抗震设防目标。结合建筑平面设置金属阻尼器,连接形式为墙式,楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称”的原则,如图1所示。
图1 阻尼器典型布置
本工程在多遇地震和罕遇地震作用下的减震目标以及与悬臂墙型剪切阻尼器相连构件和节点的性能目标及其设计方法如表1所示。
表1 不同构件的性能目标
本工程是钢筋混凝土框架结构,使用大型有限元分析软件SAP2000建立减震结构模型,并进行计算与分析,如图2所示。SAP2000软件具有方便灵活的建模、模拟功能和强大的线性和非线性分析功能。在SAP2000中,使用连接单元plastic[Wen]模拟悬臂墙型剪切阻尼器。本结构模型依据YJK建模得到。
选取了实际5条强震记录(T1~T5)和2条人工模拟加速度时程曲线(R1,R2),并且在统计意义上相符。其加速度时程曲线如图3所示。
图2 分析模型
图3 7条地震波的加速度时程曲线
图中,横坐标为时间,s;纵坐标为地震波的加速度,m/s2。
分析所得的结构位移及内力曲线如图4所示。
图4 结构位移及内力曲线
结构显示,时程分析楼层剪力平均值均小于反应谱分析的楼层剪力,按反应谱设计的楼层剪力进行设计即可。
本教学楼的结构减震设计中采用了金属阻尼器耗能减震装置。结构的弹性时程分析结果表明,金属阻尼器发挥了良好的消能减震作用,结构的抗震性能得到了显著提高。经计算表明,楼层剪力平均值均小于反应谱分析的楼层剪力,按反应谱设计的楼层剪力进行设计满足要求。