消能减震技术在高烈度区商业综合体中的应用

消能减震技术在高烈度区商业综合体中的应用

秦力彪

上海堃熠工程减震科技有限公司上海201806

摘要：消能减震设计属于结构抗震性能设计的范畴，通过在结构上合理设置阻尼器，使阻尼器在结构发生振动时率先屈服并吸收地震能量，降低结构地震响应。本文结合工程实例，选用剪切型金属抗震阻尼器作为消能减震装置，通过反应谱迭代的计算方法，确定附加阻尼比，同时利用弹塑性分析验证带有阻尼器结构的大震性能，分析结果均能满足预期设计和规范的要求。

关键词：剪切型金属抗震阻尼器；消能减震；弹塑性分析

0引言

剪切型金属抗震阻尼器是减震工程中应用最广的一种阻尼器，它一般是利用金属材料（主要是软钢）作为能量吸收材料的阻尼器，可根据能量吸收用材料的屈服机制进行分类，属于位移相关型阻尼器。

阻尼器置于结构中，当地震来临时，阻尼器随着结构振动发生屈服并进入塑性，吸收结构振动能量，降低结构地震效应。阻尼器既可以给结构提供刚度也可提供附加阻尼，因其屈服位移小，初始刚度大，小震下即可发生屈服，率先进入屈服状态并耗能，可作为结构的第一道抗震防线，能有效减小输入到结构中的地震能量，从而保护结构构件的安全。

1项目概况

本工程项目建筑总层数5层（局部7层），总高度27.30m，结构形式为混凝土框架结构，设防烈度为8度（设计基本地震加速度0.20g），场地土为II类土，场地特征周期为0.40s。

由于本工程为大型商业建筑，为符合政策法规要求，并实现本项目结构设计的安全、合理、经济，切实提高本工程的抗震性能，依据国家相关规范进行了本工程的消能减震设计，即在结构上设置剪切型金属抗震阻尼器，以达到如下要求：

1）通过增加阻尼器，结构的阻尼比增至7.5%及以上；

2）通过增加阻尼器来优化梁柱截面尺寸，进而使结构自重减轻，降低土建成本；

3）同时满足规范的各项要求（如：周期比、位移角）并有效提升主体结构的抗震性能。

2剪切型金属抗震阻尼器的布置方案

根据《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013中规定的关于消能器的布置原则：

1）消能器的布置位置宜考虑结构的建筑使用功能要求。

2）消能减震结构设计时应合理布置消能部件，避免结构形成明显的薄弱楼层和扭转效应。

3）消能器的布置宜使结构在两个主轴方向的动力特性相近。

4）消能器的竖向布置宜使结构沿高度方向均匀，在特殊情况下可根据要求对局部楼层进行布置。

根据以上布置原则结合本工程实际情况，最终确定在X向1、2层各设置10组阻尼器、3层设置11组阻尼器、4层设置10组阻尼器；在Y向1层设置12组阻尼器、2层设置13组阻尼器、3层设置12组阻尼器、4层设置9组阻尼器；共计87组，阻尼器平面布置图见图1。

本工程项目消能减震设计采用的剪切型金属抗震阻尼器是拥有自主研发抗震产品资质单位提供的产品参数，阻尼器产品均采用同种类型产品，产品相关参数如表1：

图1阻尼器平面布置图（红色部分为阻尼器位置）

表1本工程项目阻尼器产品参数

3消能减震结构分析

3.1结构分析软件

1）结构整体振型分解反应谱分析采用北京盈建科软件股份有限公司开发的YJK1.8.2程序。

2）时程及弹塑性分析采用韩国浦项制铁集团开发的MIDAS-Gen程序。

3.2附加阻尼比计算原理

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中12.3.4条的要求，消能部件给结构附加的有效阻尼比可按下式估算：

式中：—消能减震结构的附加有效阻尼比；

—第个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量，即滞回曲线的面积；

—设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。

1）的计算方法。单个阻尼器的耗能面积根据平行四边形法则求出，具体计算公式如下：

，=

2）的计算方法。

总应变能，其中—质点的水平地震作用标准值；—质点对应于水平地震作用标准值的位移。

3.3振型分解反应谱计算结果

（1）附加阻尼比计算

反应谱法由迭代确定附加阻尼比和等代构件的刚度，采用《建筑消能减震技术规程》中6.3条规定的迭代方法进行计算。

6.3.3条规定：采用振型反应谱法分析时，结构有效阻尼比可采用附加阻尼比的迭代方法计算。

计算步骤如下：

1）假定各个阻尼器的设计参数和消能减震结构的总阻尼比；

2）将消能建筑结构的总阻尼比和各个阻尼器的设计参数带入分析模型中，根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的规定，采用振型分解反应谱法进行结构分析；初始情况下可假设阻尼器均未屈服，附加阻尼比取0；

3）经结构分析可得各层的水平及剪力，水平地震作用标准值及阻尼器的阻尼力和相对位移；

4）由规范公式计算阻尼器附加给结构的有效附加阻尼比；

5）重新修正各个阻尼器的参数及结构的总阻尼比

6）重复步骤2~5，反复迭代，直至步骤2使用的消能减震结构的总阻尼比与步骤5计算得到的消能减震结构的总阻尼比接近。

经过迭代计算，结构的附加阻尼比及有效总阻尼比如下表2所示：

表2结构附加阻尼比及有效总阻尼比

（2）结构整体性能指标

设置了阻尼器的结构，经过多遇地震分析，结构整体指标均能满足规范要求如：XY向位移角分别为1/625、1/587；周期比为0.88；最大层间位移比为1.32（注：未采用减震设计的原结构这些指标均不满足规要求）。

（3）结构自重优化

在结构中合理设置阻尼器，阻尼器提供一定刚度的同时，也可以增加结构的附加阻尼比，进而可以对主体结构梁柱截面进行一定的优化，降低结构自重。优化后的结构自重见下表3。

表3结构自重优化结果

注：减重（%）=（原结构-优化后）/原结构

4罕遇地震下静力弹塑性分析

4.1静力弹塑性分析必要性

根据《建筑抗震设计规范》中5.5.2条规定：采用隔震和消能减震设计的结构，应进行弹塑性变形验算，同时为进一步验证本工程消能减震结构在大震下的性能以及阻尼器的工作情况，采用MIDASGEN软件进行了罕遇地震作用的静力弹塑性分析。

根据上述规范要求，本项目采用非线性静力弹塑性分析（即PUSHOVER分析）对消能减震结构的抗震性能进行评估。对结构进行

PUSHOVER分析可以较好的预测结构在罕遇地震下潜在的薄弱层和塑性铰出现的顺序及位置，此外推覆曲线也可用于估算罕遇地震下结构的最大弹塑性层间位移角和抗倒塌能力，罕遇地震PUSHOVER分析采用MIDAS-Gen程序。

4.2静力弹塑性分析结果

罕遇地震下静力弹塑性分析需求谱-能力谱曲线如下图所示：

图4X向需求谱-能力谱曲线图5Y向需求谱-能力谱曲线

表5罕遇地震下X/Y向性能点处层间位移角

从图4~图5可知，在罕遇地震下，结构的能力谱与需求谱曲线有交点，说明在大震下结构的抗震性能是满足设计要求的。

在罕遇地震力下，X向的最大弹塑性层间位移角为1/171，Y向的最大弹塑性层间位移角为1/185，皆小于本工程抗震设计目标1/50。

图6X向框架铰（大震性能点）图7Y向框架铰（大震性能点）

图6为X向推覆时大震性能点框架塑铰分布图；从图中可见塑性铰竖向分布较为均匀，未出现塑铰分布集中在个别楼层的现象（没有出现薄弱层）；塑铰程度均为LS（生命安全）以下。

图7为Y向推覆时大震性能点框架塑铰分布图；从图中塑性铰竖向分布较为均匀，未出现塑铰分布集中在个别楼层的现象（没有出现薄弱层）；塑铰程度均为LS（生命安全）以下。

5结论

综上所述，经过前文系统的分析和计算数据，该结构在设置剪切型金属抗震阻尼器后既能满足规范的要求，同时也能达到本工程预期的设计要求，详细结论如下：

（1）通过设置剪切型金属抗震阻尼器，结构总阻尼比增加至7.5%以上；

（2）在结构抗震性能提高的前提下，对梁柱截面进行了优化，使结构自重减轻4.9%。

（3）经过静力弹塑性分析证明结构在大震下性能良好：弹塑性变形满足规范要求，塑性铰分布合理，局部未出现薄弱现象，大大增强了结构的抗震性能。

（4）结构在地震作用下各项指标满足规范要求，并且有一定的安全储备。

参考文献：

[1]《被动减震结构设计.施工手册》.[日]社团法人日本隔震结构协会编中国建筑工业出版社

[2]《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013

[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010