消能减震技术在高烈度区框架结构中的应用

消能减震技术在高烈度区框架结构中的应用

黄淼

中衡卓创国际工程设计有限公司 重庆市 401121

摘要：传统的高烈度区框架结构抗震设计主要通过增大构件截面以提高结构刚度来抵抗地震作用，相较于传统结构的“硬抗”，消能减震结构则是通过设置耗能构件、提高结构阻尼的方法来消减地震力，从而提高结构的抗震能力。近些年来，国家大力推广消能减震技术，地方政府也发布了相关文件，要求特定建筑强制采用隔减震技术及措施，隔减震设计已经逐渐成为工程设计领域里一项常规任务。框架结构在高烈度区抗震性能较弱，采用隔减震技术可以提高结构刚度，增加阻尼，降低地震力，增加一道抗震防线，有效保护主体结构，并在一定程度上降低结构造价，减震技术相较于隔震技术在框架结构中应用更广泛，同时经济性更好。

关键词：消能减震；高地震烈度；框架结构；弹塑性分析

0 引言

消能减震技术在结构抗震中被大力推广和应用，在许多高烈度区学校、医院、应急指挥中心等建筑都被强制要求采用该项技术。本文介绍了部分地区政府对消能减震技术的要求，简述了消能减震技术特点，并以某典型幼儿园框架结构为例，对比传统方案与消能减震方案分别在7度、8度、9度地区的结构性能，给出了在不同烈度区的消能减震策略建议，分析结果表明消能减震方案可以明显的提高结构整体抗震能力，大震下耗能显著，同时也具有长期经济效益。

1 高烈度区消能减震技术要求及特点

1.1国家及地方强制要求

国家住房城乡建设部2018年2月1日发布《建设工程抗震管理条例（征求意见稿）》公开征求意见，文件中第十八条减震隔震推广提出“位于高烈度设防地区的新建学校、医院、应急指挥中心等应当采用减震隔震技术。”由此可见，国家正在加快推进全面普及采用隔减震技术，对特定重点设防结构工程设计和施工都提出了更高的要求。近几年来各地方要求强制采用隔减震技术。相较于传统结构，减震结构要经历更严格的审查，需提交减震专篇的分析报告和产品配合图设计、子结构设计，主要审查要点包括：抗侧力结构与阻尼器布置的合理性，整体结构平面和竖向布置的规则性；位移指标满足规范，在大震弹塑性下位移角满足要求；消能器在地震下的工作性能，关键构件的性能化设计，附加阻尼和有效刚度等等。合理的消能减震方案在设计中十分重要，需要与厂家配合不断优化才能同时满足安全性和经济性要求。

1.2技术特点

地震发生时，结构吸收大量地震能量必须通过转换地震能量或者自身破坏耗能才能最终停止地震反应。减震技术是通过新加消能构件或者改变原有构件的耗能属性提高耗能能力，在地震发生时，耗能构件进入塑性状态，通过滞回耗能消耗地震能量，同时产生附加阻尼，从而避免主体结构遭受更严重破坏，减少地震的灾害。相较于传统结构，消能减震的结构优点主要表现为：1.传统结构在大震中破坏耗能路径不清晰，结构安全性风险较大；消能结构的消能构件（消能支撑、消能剪力墙等）能在大震中首先消耗掉地震能量，迅速衰减结构对地震的反应，从而保护承重构件。2.技术合理性，传统结构通过不断的增加刚度来提高抗力，同时构件也会吸收更大的地震力，恶性循环；消能结构利用材料的性能，在结构整体刚度不变的情况下，增加了结构的阻尼，从而减少了结构构件的地震力。3.消能抗震结构方案性价比较高，具有比较好的长期经济效益。

2 应用案例

2.1工程概况

本文以某项目典型框架结构为研究对象，建筑面积2000m²，地上3层，层高3.8m，总高度11.4m，对其在7度~9度地区地震下的结构减震结构方案进行设计和分析，给出相应减震策略建议。

2.2消能器的布置

综合考虑结构抗震性能、建筑使用功能，本工程消能器布置位置见图2，X向和Y向分别设置4个和3个阻尼器，布置上下贯通落地，保证两个方向结构刚度相匹配。

2.3模型准确性校核

使用YJK和ETABS有限元软件分别建立结构的三维有限元模型，以8度（0.2g）条件下的原模型为例，通过对比计算结构来验证模型的准确性。

2.4高烈度区消能减震策略

2.4.1 7度区减震策略

三层框架结构在高烈度区设计中主要难点是整体抗侧力刚度较弱，在7度区建议采用屈曲约束支撑（BRB）应对消能减震的要求。由下表3可见，在原有结构中增加BRB在小震时可以提高结构刚度，使得整体结构满足位移角要求。大震时耗能增加结构延性，起到二道防线作用。BRB在YJK中定义为支撑，在特殊构件中补充定义连接属性为屈曲约束支撑，在ETABS中定义为Plastic(Wen)的Link单元，在软件中需定义相应的刚度、屈服应力和屈服指数。BRB在消能减震结构中运用最广泛，技术比较成熟，造价较低，在7度区结构中采用可以满足工程要求。

2.4.2 8度区减震策略

8度区整体结构模型需在7度区结构模型的基础上增大刚度，建筑布置和结构形式微小调整，竖向构件和水平构件截面尺寸加大，柱截面从中柱400×400、角柱500×500增大到中柱500×500、角柱600×600。可采用BRB或速度型阻尼器（VFD）方案，采用VFD方案可以在小震时耗能，提供附加阻尼，减小地震作用。在VFD方案中可以减少阻尼器数量，每个方向设置2个阻尼器，附加阻尼比约7%，地震基底剪力由3800kN降低至2900kN，相当于地震烈度降低半度。阻尼器参数由具体项目厂家提供。

2.4.3 9度区减震策略

位于9度区的框架结构采用传统的抗震设计会导致梁柱截面过大，提高结构的刚度在地震作用下结构的受力也会增加，在安全性上难以保证也会极大的增加工程造价。建议采用速度型阻尼器（VFD），在小震情况下耗能，增加整体结构的阻尼，减小地震力从而达到消能减震的效果。由9度区减震与非减震结构性能可见，整体结构刚度并没有显著变化，但由于整体阻尼增加（附加阻尼X向8%，Y向12%），地震力降低使结构整体受力减小，使得结构可以满足整体指标的要求。

2.5大震下性能分析

BRB在小震情况下不屈服，仅提供刚度，在大震时屈服耗能，提供阻尼，

BRB耗能约占大震输入总能量的27%，说明罕遇地震下消能器耗能能力显著，可以作为结构的一道防线，在地震作用下屈服工作来保护主体结构。

2.6经济性比较

在框架结构中采用减震结构体系费用变化占总造价比例很小，以8度区为例，传统结构体系通过增加竖向构件截面提高结构刚度来满足规范要求，钢筋和混凝土量较多，减震结构则需要根据厂家报价增加减震设备的费用，短期的综合造价相差不大。从长期经济效益分析，结构整体提高了抗震能力，减少了未来可能发生的加固维修费用，在地震中也可以有效的保护室内设备、物品免受损害，从而减少经济损失带来长期经济效益。

3结论

本文总结了消能减震在高烈度区要求，并以某幼儿园框架结构为例进行分析，主要结论如下：

（1）消能减震技术正在做为强制性要求被大力推广，在实践中减震结构的设计需满足更高的审查要求。

（2）对于高烈度区的框架结构来说，根据地震烈度、结构整体受力给出了相应的减震策略，烈度较低时屈曲约束支撑可满足要求，烈度较高时建议采用速度型阻尼器，具体项目还可以采用金属阻尼器、粘滞阻尼墙等，需根据具体项目厂家提供配合设计、组合并优化。

（3）消能器在高烈度区框架结构中可以很好的发挥工作性能，小震下提高刚度、增加阻尼，保证“小震不坏”，大震下参与耗能保护结构，使结构满足“大震不倒”的抗震要求，同时也具有良好的长期经济效益。

参考文献：

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