组合减震在山地学校建筑中的设计分析

张志新

(山西五建集团有限公司,山西 太原 030013)

0 引言

近些年国内外地震越来越频繁,2023年在2月6日土耳其连续发生两次7级以上地震,之后同月又发生多次5级以上余震,造成严重的生命危险和财产损失。 因此建筑抗震的安全性及逐步提高结构的抗震性能成为众多结构设计人员新的问题,《建设工程抗震管理条例》明确要求地震重点监视防御区的学校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。

本文主要介绍屈曲约束支撑(BRB)和黏滞阻尼器(VFD)的联合使用及所达到的效果。常见的屈曲约束支撑在多遇地震下承受轴向压力,BRB处于弹性,不发生屈曲,仅为主体结构提供刚度,但导致主体结构周期减少,地震作用相应增大,可能在控制位移方面有显著效果,但在减震效果上没有优势。设防地震和罕遇地震下BRB开始屈服耗能,屈服后有稳定的承载力,提供刚度,减少主体结构的变形。

黏滞阻尼器(VFD)是通过为主体结构提供附加阻尼比,对地震作用进行耗能,减少主体结构的地震响应。但结构的附加阻尼比不能无限增大,随着地震作用的增加,附加阻尼比可能会逐渐降低,罕遇地震下结构的变形控制效果一般。

BRB和VFD的联合使用可以充分发挥两种减震器的优点,BRB为提供结构抗侧刚度,VFD提供结构阻尼,减少地震作用的同时能有效控制结构变形,为满足设防地震时建筑能够达到正常使用要求提供了一种方法。

1 工程概况

本工程位于山西省晋城市陵川县崇文镇城南社区、后川村、岭常村,地貌为低中山,微地貌为山前缓坡。教学楼整体为L形建筑,总长140 m,宽度为20 m,依山体坡度进行建设,分为3个台地,每个台地高差3.9 m。通过设置抗震缝划分为3个单体,本次仅介绍其中A区单体。单体为地上4层,无地下室,层高均为3.9 m,总高度16 m,结构体系为框架结构,基础形式为独立基础。该工程的抗震设防烈度为7度[1-2],设计基本地震加速度0.10g,设计地震分组第三组,场地类别Ⅱ类,特征周期0.30 s,抗震设防类别为乙类,建筑结构安全等级一级(结构重要性系数为1.1),三维模型见图1。

2 结构方案前期对比

因该项目位于地震重点监视防御区,因此按《建设工程抗震管理条例》需要采用隔震减震等技术,考虑项目所在地区为低烈度区,且场地类别较好,特征周期较小,所以考虑采用减震技术进行设计来满足设防地震下正常使用的要求[3],充分优化结构的抗震性能,提高该结构地震下的安全性。表1为采用VFD和BRB+VFD两种减震方案的初步计算情况,图2为VFD方案,图3为BRB+VFD方案。

表1 VFD和BRB+VFD两种减震方案参数表

其中黏滞阻尼器(VFD)方案在结构地上2层—4层分别在X,Y方向布置三组VFD,阻尼器型号为VFD250,阻尼系数C为30 kN/(mm/s),阻尼指数为0.25,设计阻尼力为222 kN,设计位移21 mm。VFD+BRB方案在上述基础上增设BRB,在地上2层—4层Y向布置,2层—3层每层三组,4层为两组。芯材采用Q235B,屈服力为500 kN,屈服位移为3.7 mm,屈服后的刚度比为0.02。

通过初步计算分析,VFD方案在Y向层间位移角不满足1/400的要求,同时层间位移比也超限较多,扭转较为突出,同时出现多处梁柱配筋超筋的现象,说明Y向侧向刚度不足,如果继续增加梁柱截面,不仅不经济,而且影响建筑使用功能,从室内看也不美观。而通过在Y向设置BRB后,虽然周期减少8%,但层间位移角和层间位移比都有较大的改善,配筋也基本在合理范围内,各项指标满足规范要求,综合考虑单纯设置VFD并不合适,该项目按BRB+VFD方案进行设计。

3 主要设计内容及计算分析

3.1 确定山地建筑地震影响系数增大系数

该项目场地稳定性等级为基本稳定,但建筑的东侧有高大边坡,最大高差11 m,建筑离突出台地边缘的距离为16 m,参见图4。因此需要根据《建筑抗震设计规范》[4]4.1.8当需要在强风化岩石的陡坡和边坡边缘不利地段建造乙类建筑时,除保证其在地震作用下的稳定性外,其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数。增大系数计算方法按附录进行计算。

其中,H=11 m;L1=16 m,L=11.7 m。根据4.1.8条文说明进行计算。

L1/H=1.45<2.5,附加调整系数ξ取值为1.0。

根据4.1.8条文中表2计算局部突出地形地震影响系数的增大幅度,其中局部突出台地边缘的侧向平均坡降H/L=0.94,由于该场地主要为岩质地层,查表得局部突出地形地震动参数的增大幅度α=0.2。

根据条文4.1.8(2)公式计算放大系数λ=1+1×0.2=1.2。

由此可见,高突地形距离基准面的高度愈大,高处的反应愈强烈,另外边坡的倾斜角度越大,即边坡愈陡,其顶部的放大效应也会相应加大,建筑设计前期因综合考虑场地因素,合理进行总图规划,避免出现高大边坡陡坎的情况,既可以降低地震作用,节省主体结构造价,也能使场地使用的舒适度及安全性能提高。

3.2 结构计算分析

该工程在设计时按照《建设工程抗震管理条例》及导则(征求意见稿)进行减震目标的确定,在设防地震和罕遇地震作用下的减震目标[5-6],以及与消能减震器相连的构件和节点的性能目标及其设计方法如表2所示。

表2 与消能减震器相连的构件和节点的性能目标及其设计方法

具体设计步骤为:1)确定结构的附加阻尼比,确定消能减震器参数和数量,以及消能减震器的安装位置及型式。2)计算附设减震器的减震结构在设防地震作用下的结构响应。3)进行弹性时程分析,复核附加阻尼比。4)罕遇地震作用下,进行弹塑性位移验算,承载力不足的构件进行相应调整,最后完成与阻尼器相连的连接构件和结构构件的设计。

结构计算时反应谱分析主要以YJK进行分析,SAP2000进行反应谱分析(补充复核模型),弹塑性时程分析主要以SAP2000进行分析。

3.2.1 模型对比

采用SAP2000分析软件对框架模型进行分析, 对比YJK非减震结构模型的质量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力、层间位移及层间位移角后差异很小,模型验证通过(见图5),结果如表3—表5所示。

表3 结构质量对比

表4 结构周期对比(前三阶)

表5 结构地震剪力对比

3.2.2 地震波的选取

选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线作为分析BRB+VFD减震效果的地震波,考虑边坡放大系数1.2的影响,选取的时候地震加速度峰值均相应进行了放大。七条地震波的反应谱曲线如图6所示,地震波信息如图7所示,七条地震波的加速度峰值如表6所示。非减震结构底部剪力对比表见表7,时程反应谱与规范反应谱曲线对比表见表8。

表6 七条地震波的加速度峰值

表7 非减震结构底部剪力对比表

表8 时程反应谱与规范反应谱曲线对比表

结果显示,在对应于结构主要振型的周期点上地震波时程平均影响系数与规范反应谱影响系数相差不大于20%,所选地震波的基底剪力平均值大于反应谱计算结果的80%,满足抗规第5.1.2条的要求。

3.2.3 阻尼器参数与减震器的模拟

1)黏滞阻尼器的模拟[7]:SAP2000模型中黏滞阻尼器采用非线性单元Damper模拟(见图8)。阻尼系数C为30 kN/(mm/s),阻尼指数为0.25,设计阻尼力为222 kN,设计位移21 mm,分析方法为FNA快速非线性法,7度(0.1g)多遇地震加速度峰值420 mm/s2,设防地震加速度峰值1 200 mm/s2。

2)BRB的模拟:SAP模型中BRB采用非线性单元Plastic(Wen)模拟(见图9)。

3.2.4 多遇及设防地震弹性时程分析

综合表9,图10,表10可知,减震结构在中震作用下,结构层间位移角为:X向最大为1/625,Y向为1/702;均满足规范要求,且满足原定减震目标。同时,通过减震前后的层间位移、层间位移角的对比结果可知,结构在布置阻尼器后,层间位移降低,保护了结构主体安全。

表9 楼层剪力对比表 kN

3.2.5 多遇及设防地震BRB出力及位移

分析结果得知,所有BRB在多遇地震下的最大出力为157 kN小于BRB的屈服力,最大位移1.2 mm均小于屈服位移,BRB满足“小震弹性”的设计目标。设防地震下的最大出力为484 kN,但有两处最大位移4.0 mm大于屈服位移3.7,其余位移均小于屈服位移,因此绝大部分BRB在中震下的受力均小于BRB的屈服力,位移均小于屈服位移。

表10 楼层层间位移及层间位移角对比表

3.2.6 附加阻尼比的计算

附加阻尼比的计算可按GB 50011—2010建筑抗震设计规范(以下简称《抗规》)的第12.3.4条进行计算,设防地震作用下,黏滞阻尼器滞回耗能,为结构提供附加阻尼比,七条地震波在X向平均结构附加阻尼比为3.77%,Y向平均结构附加阻尼比为3.53%。各工况计算结果如表11,表12所示,均超出期望的附加阻尼比3%。

表11 X方向结构附加阻尼比计算(设防地震)

表12 Y方向结构附加阻尼比计算(设防地震)

3.2.7 罕遇地震弹塑性时程分析

1)通过对罕遇地震作用下的弹塑性位移验算,对承载力不足的构件进行相应调整,最后完成与阻尼器相连的连接构件和结构构件的设计。经过计算结构层间位移角满足最大层间位移角限值1/100的要求。计算结果见表13。

表13 减震结构层间位移角

2)减震器在大震下的出力及位移:分析得出各黏滞阻尼器最大阻尼力222 kN<极限阻尼力232,最大变形21 mm<极限变形32 mm,均满足设计的黏滞阻尼器参数要求。各BRB出力平均值最大520 kN,变形最大12 mm,均进入屈服阶段。

3)结构出铰情况:在罕遇地震作用下,允许结构部分构件进入塑性,结构耗能与结构出铰情况、出铰顺序有关。图11,图12列出了T1号地震波作用下的出铰情况,来说明结构进入塑性情况。由图可知,罕遇地震作用下框架梁优先出现梁铰,而后柱子出现柱铰,但只有部分构件进入塑性,出现塑性铰结构总体满足“强柱弱梁”的要求,实现了“大震不倒”的目标。

4 结语

1)通过对结构的整体分析,联合设置屈曲约束支撑(BRB)和黏滞阻尼器(VFD)[8],可以通过黏滞阻尼器耗散地震能量,减少结构地震响应,通过BRB提高结构侧向刚度,控制结构位移,基本可以实现设防地震结构主体弹性,BRB保持弹性。2)通过性能化设计后,VFD+BRB联合减震能实现各阶段不同的性能目标,保证建筑正常使用。3)低烈度区下的乙类建筑可以通过联合减震来达到设防地震下正常使用的要求,同时保证大震不倒塌的要求,提供一种值得参考的设计方法。