两种减震产品在某大学框架结构体系中的分析对比

张岩寿，刘燕茹，李建军

(天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津 300073)

1 概述

我国处在世界上的两大地震带：环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带交汇位置，地震多发频发。学校类建筑结构作为社会中特殊的公共建筑，直接关系到学生群体的切身利益，有着至关重要的作用。按照GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准中3.0.3条的要求，大学类建筑为标准设防类，允许按照本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，在2021年《建设工程抗震管理条例》公布并施行之前，除个别地区外，我国大部分地区也基本按照标准设防的要求控制大学类建筑的设计。

2021年7月19日，中华人民共和国国务院令第744号明确《建设工程抗震管理条例》自2021年9月1日起施行，根据此条例第十六条中的要求，学校类建筑应当按照不低于重点设防类的要求采取抗震设防措施，位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区的新建学校应当按照国家有关规定采用隔震减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。此法令的出台，一方面提高了大学类建筑的抗震设防要求，一方面也明确了其采用隔震减震技术，另外要求设防烈度下正常使用的要求，更显著提高了大学类建筑的抗震性能。

由于地震具有随机性，基于传统抗震理论设计的结构在大震下不能保证其安全性，在设防地震或高于设防地震下，建筑主体结构、内部装饰及机电设备的破坏难以修复继续使用，而对于要求在设防地震下满足正常使用的建筑，采用传统的抗震方案，显然是不合适的，而合理有效的途径是结构安装阻尼装置，由减震设备和主体结构共同承担地震作用，以减轻结构的地震损伤。

目前，常用的结构减震产品有屈曲约束支撑(简称 BRB)，金属消能器(简称 MD)，摩擦消能器(简称 FD)，黏滞消能器(墙)(简称 VFD)，黏弹性消能器，调谐质量消能器(简称 TMD)等[1]，本文将以某大学美术楼为例，分别采用BRB方案和VFD方案进行设计，通过计算对比，分析两种方案的优劣。

2 工程概况

某大学美术楼位于高烈度区，地震设防烈度为8度(0.2g)，地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地，特征周期为0.45 s。该建筑地上5层，其中，首层层高5.1 m，2层～5层层高为4.2 m，室内外高差为0.3 m，建筑总高度为22.2 m。平面东西方向总长59 m，南北方向总长56 m，主要柱网尺寸为8.4 m×8.7 m，8.1 m×8.7 m。

该建筑为平面呈“L”形，存在平面凹凸不规则，楼板局部不连续，平面扭转不规则等三项不规则，应采用空间结构计算模型，采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型并计入楼板局部变形的影响，对结构扭转较大的部位采用局部的内力增大系数。该建筑采用钢筋混凝土框架结构体系。主要结构构件尺寸详见表1。建筑效果图见图1。

表1 主要结构构件尺寸

3 减震设计方案及对比

3.1 计算模型及计算参数

在结构设计中，地震反应谱计算采用盈建科建筑结构计算软件(YJK-A(4.0.0版本))，弹塑性地震分析采用Sausage2021版进行，图2，图3为相关结构计算模型。

为保证两者软件模型的准确性，分别采用两种软件进行结构基本分析，质量对比详见表2。因BRB会增加结构刚度[2-3]，影响结构周期，两软件周期对比详见表3，表4。

表2 YJK与Sausage质量对比情况

表3 YJK与Sausage模态分析结果对比(BRB方案)

表4 YJK与Sausage模态分析结果对比(VFD方案)

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范及JGJ 297—2013建筑消能减震技术规程相关规定，两软件模型计算结果差别不大，可以进行下一步分析。另，选取RH2TG045，TH058TG045(EL_MAYOR-CUCAPAH_4-4-2010_TAMAULIPAS)，TH086TG045(KOBE_JAPAN_1-16-1995_SAKAI)三条地震波分别对两方案进行弹塑性时程分析。地震动反应谱曲线如图4所示，根据地震反应谱曲线计算，两计算模型在结构主要周期点上，地震波平均反应谱与规范反应谱相差不超过20%，符合规范要求[4]。

本工程设防地震计算采用弹塑性时程分析方法，采用双向地震波输入进行计算，其主方向地震波加速度峰值为200 cm/s2，次方向地震波加速度峰值为170 cm/s2。

3.2 BRB设计方案

本工程采用了40组BRB，采用单斜形布置方式，主要参数如表5所示，图5为典型平面BRB布置，图6为BRB方案的Sausage三维计算模型图。

表5 BRB设计参数

3.3 VFD设计方案

本工程采用了40组VFD，采用悬臂墙布置方式，主要参数如表6所示，图7为典型平面VFD布置，图8为VFD方案的Sausage三维计算模型图。

表6 VFD设计参数

3.4 BRB与VFD方案比较

1)结构楼层位移：在设防地震下两方案结构弹塑性楼层位移如图9，图10所示。

由图9,图10可知，在结构构件尺寸均相同的前提下，两方案均能满足最初设定的中震弹塑性位移角限值(1/300)，BRB由于既能提供刚度也能提供附加阻尼比[5-7]，该方案弹塑性层间位移角略小于VFD方案。

2)结构附加阻尼比：两方案提供的结构附加阻尼比如表7所示。

表7 结构附加阻尼比 %

根据表7所示，在消能器数量相同的前提下，VFD方案在设防地震下提供的结构附加阻尼比显著大于BRB方案，从构件层面分析，VFD典型消能器的滞回曲线饱满度明显高于BRB典型消能器(见图11，图12)。

在设防地震下，两方案结构构件耗能所能提供的阻尼比基本相同，但均有一定程度的弹塑性开展。结构竖向构件的性能水平如图13，图14所示，在设防地震下，两方案竖向构件均无中度或重度损坏，而BRB方案中23.7%的竖向构件发生轻度破坏，相对来讲，VFD方案中仅有14.4%发生轻度破坏，两方案均能满足最初设定的仅部分构件发生轻度破坏的性能目标，但VFD方案对于结构构件的保护作用明显好于BRB方案。

3)楼面加速度对比：在设防地震下，BRB方案结构楼面最大加速度值约为0.356g，相对应的，VFD方案结构楼面最大加速度值约0.307g，两方案计算结果均能满足最初设定的0.45g的楼面加速度限值的要求，但VFD方案对楼面加速度的控制明显好于BRB方案。

4)经济性对比：两方案的地上部分的结构钢筋用量如表8所示，可知，采用VFD方案时地上部分的结构钢筋用量略低于BRB方案，考虑到两种消能器的单价及连接部件、子结构等的差异，两种方案的最终工程整体造价差异不大。

表8 结构钢筋用量表

4 结论

1)对于本工程BRB方案及VFD方案均能实现预设的设防地震下的性能目标。

2)VFD方案在保护主体结构，控制结构楼面加速度方面较BRB方案更有优势，但BRB在提高结构刚度，控制结构楼层位移方面更有效。