某学校建筑的消能减震分析

某学校建筑的消能减震分析

吴成万

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司200092

摘要：对8度区的学校建筑进行消能减震设计，布置了摩擦型和BRB两种抗震阻尼器，为结构提供刚度的同时也提供一定的附加阻尼比，根据规范要求选取七条地震波进行MidasGen的动力弹塑性时程分析，大震下的层间最大位移角均有较大余量，结构塑性铰的开展情况也符合抗震概念设计和结构设计要求，阻尼器的滞回曲线饱满，耗能能力良好，可切实起到保护主体结构的作用，体现了消能减震结构在抗震性能上的优势。

关键词：消能减震；弹塑性；抗震阻尼器；时程分析

1.引言

本项目为学校建筑，抗震设防分类为乙类，抗震设防烈度为8度0.20g，地上3层，结构高度12米。为实现结构设计的安全、合理、经济，切实提高抗震性能，对此进行消能减震设计。

消能减震阻尼器主要分三类，一是位移型，二是速度型，三是复合型[1]。本工程根据实际结构特点和建筑要求，选用BRB和摩擦型阻尼器相结合的形式。摩擦型阻尼器具有构造简单，可靠性好，成本低廉的特点，目前在日本、我国台湾地区应用广泛[2]，在我国大陆地区也有众多案例。BRB为防屈曲支撑，构造简单、耗能能力稳定，也广泛应用于新建工程及加固改造工程中[3~4]．

阻尼器布置方案见表1.1，本工程中所有摩擦型阻尼器在小震下屈服耗能，提供一定的刚度的同时，在结构的X、Y两个主方向上为主体结构提供一定的附加阻尼比；BRB在小震下保持弹性，中大震下屈服耗能。阻尼器的布置位置如图1.1所示（图中粗线处）。

图1.1阻尼器典型布置图

表1.1减震方案

2.消能减震方案弹性分析

为保证结构安全、合理，设计符合规范要求，对多遇地震采用了两种软件进行计算分析。选用SATWE和MIDASGEN分别进行整体结构的反应谱和弹性时程分析。

2.1小震反应谱分析

2.1.1结构三维计算模型

模型简图如图2.1所示，图中红色位置为抗震阻尼器所在位置的等代构件。构件尺寸根据构件刚度与消能部件有效刚度相等的原则确定。

图2.1结构三维计算模型简图

2.1.2结构整体计算

（1）结构周期

结构前三个周期及平动扭转如下表所示，两者基本一致：

（2）结构层间位移角

两软件计算结果十分接近，小震时各楼层最大位移角如下表，X、Y向的最大层间位移角分别为1/709、1/644且均满足框架结构最大位移角1/550的限值，并有10%以上余量，体现了消能减震结构的优势。

（3）剪力和剪重比

表2.3为SATWE和MIDAS的结构各层在小震下的楼层剪力和剪重比，计算结果十分接近，剪重比满足规范的要求。

（4）阻尼器参数

本项目选定阻尼器的参数如表2.4~2.5所示：

2.2附加阻尼比计算

（1）规范依据

《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）中6.3.2条规定了阻尼器附加给结构的有效阻尼比可按照下式计算：

WCj—单个阻尼器耗能；Fdy—阻尼器屈服力；△uy—阻尼器屈服位移；

Fmax—阻尼器实际出力；udmax—阻尼器实际位移

图2.2阻尼器耗能面积计算图

2.3小震时程分析

《建筑抗震设计规范》及《建筑消能减震技术规程》中指出，消能减震结构，采用振型分解反应谱法分析时宜采用时程分析法进行多遇地震下补充计算。同时为验证阻尼器的工作情况，并对反应谱法中阻尼器的附加阻尼比和消能部件有效刚度进行计算，选取七条地震波对本结构进行动力弹塑性时程分析（主体结构为弹性模型，阻尼器为弹塑性模型）。

2.3.1地震波的选取

共选取七条地震波进行时程分析，其中两条人工地震波和五条天然地震波，天然波的数量不小于所选地震波总数的2/3，所有地震波均符合Ⅲ类场地及场地特征周期0.65秒的要求，地震波的有效持续时间不小于结构基本周期的5~10倍要求。

地震波的时程及影响系数曲线如下图所示，七条波对应的平均地震影响系数曲线在结构主要周期点上均与反应谱法所采用的地震影响系数曲线接近，在结构前三周期的误差均小于20%，满足规范规定的统计意义上相符的要求。

图2.3时程曲线

图2.4规范谱与地震波谱对比图

2.3.2弹性时程分析中阻尼器的模拟

小震时程分析中，主体结构仍处于弹性阶段，消能部件按实际状态建模，即分为连接部件和阻尼器部分，如图2.5所示。连接构件的尺寸按实际参数确定。阻尼器采用软件中的滞后系统模拟，并根据阻尼器参数指定滞后系统的初始刚度、屈服力、屈服位移、几何尺寸、屈服后刚度。这种模拟方法可以完整且准确的模拟阻尼器的工作状态，并由此判断阻尼器在小震时程下的工作状况。

图2.5阻尼器模型

2.3.3小震时程分析结果

如表2.6所示，各条地震波作用下结构底部剪力弹性时程分析结果均满足大于CQC的65%小于135%，且七条波计算所得的结构底部剪力的平均值满足大于CQC法求得的底部剪力的80%小于120%的要求，因此从基底剪力角度判断，所选地震波是满足规范要求的。

3.动力弹塑性时程分析

3.1配筋方案

动力弹塑性分析的消能减震模型同前节小震时程分析的计算模型，因此模型与SATWE小震反应谱分析的模型是一致的。

在进行动力弹塑性分析前首先要进行构件配筋和塑性铰的指定。模型的配筋根据反应谱计算结果确定，并输入Midas/Gen中的弹塑性时程分析模型，以保证分析模型与最终的实际施工图的一致性。

3.2塑性铰的选择

分析模型中框架梁的塑性铰采用My、Mz方向的弯曲铰，滞回模型采用修正的武田三折线模型，框架柱的塑性铰采用PMM铰，滞回模型采用随动硬化模型。

3.3动力弹塑性分析结果

地震波选取同小震时程，按罕遇设置地震波峰值加速度，对应为400cm/s2，并按X单向和Y单向分别输入地震波，提取各工况下层间位移角和层间剪力，以及最终结构出铰情况。

3.3.1结构指标统计

结构在各地震波工况下对应的结构层间位移角及基底剪力如表3.1~表3.3所示，结构层间位移角最大值X、Y向分别为1/117、1/118，均满足规范要求，且有较大余量，说明本消能减震框架结构抗震性能良好，体现了消能减震结构的优势。

3.3.2主体结构塑性铰开展情况

结构在人工波1工况下最终时刻的结构塑性铰如图3.1~3.2所示，由出铰情况可以看出，大部分的框架梁和部分框架柱均出现了塑性铰，其中框架梁多数出现第一阶至第二屈服阶段的塑性铰；框架柱出现的塑性铰多数为第一阶段屈服，部分位置出现第二屈服阶段的塑性铰，实际施工图设计时将对这些位置的构件配筋进行有针对性的加强，总体来看框架柱的塑性铰开展程度较轻，结构塑性开展情况符合抗震概念设计和结构设计要求。其余地震波工况下结构出铰情况与人工波1基本类似。

3.3.3阻尼器滞回曲线

阻尼器FD-S-1-Fx12~13在X向人工波1工况下的滞回曲线如图3.3所示，阻尼器滞回曲线饱满，耗能能力良好，可切实起到保护主体结构的作用。

3.3.4减震结构与非减震结构对比

为反应阻尼器的作用，将弹塑性分析的模型去除所有的消能部件，主体结构配筋和构件尺寸不变，形成非减震结构，对此非减震结构再进行了罕遇地震作用的弹塑性分析，对比减震结构与非减震结构罕遇地震下最大层间位移角如下表所示。减震结构最大层间位移角X、Y向分别为1/117、1/118，非减震结构最大层间位移角X、Y向分别为1/86、1/87，减震结构位移角与非减震结构位移角比值分别为0.74和0.73。

图3.3阻尼器滞回曲线

4.结论

通过以上分析可以发现，增加消能减震方案之后，该学校建筑的抗震性能有了明显的提高，主要受力构件的设计也得到了一定的优化，减震结构楼层的最大位移角与非减震结构楼层的最大位移角之比值的均小于75%，体现了消能减震结构在抗震性能上的优势。

参考文献（References）：

［1］被动减震结构设计·施工手册［M］．蒋通，译．北京：中国建筑工业出版社，2008．

［2］李爱群．工程结构减振控制［M］．北京：机械工业出版社，2007：114－150．

［3］BrowAP，AikenDI，JafarzadehFJ．BuckingrestrainedbracesprovidethekeytotheseismicretrofitoftheWallaceF．bennettfederalbuilding［J］．ModernSteelConstruction，2001，27（3）：36－42．

［4］阮兴群，孟凡涛，柳晓博，张玉明.某宿舍屈曲约束支撑框架消能减震设计［J］吉林建筑大学学报，2017，34（3）：31-36.

作者简介：

吴成万出生年月：1985.11.01性别：男民族：汉籍贯（精确到市）：安徽省安庆市当前职务：设计主管当前职称：中级工程师学历：硕士研究生研究方向：消能减震。