金属阻尼器在学校建筑的应用研究

金属阻尼器在学校建筑的应用研究

单多刚

中建新疆建工（集团）有限公司上海市松江区 201600

摘要：随着我国经济的快速发展，人们越来越关注建筑结构的抗震性能。国内外震后调查和测量表明，采用隔震设计的建筑在地震中表现出良好的抗震性能。消能减震结构设计是指在建筑结构中安装消能装置，通过阻尼器的相对速度或相对位移为结构提供附加阻尼比，以消耗地震输入能量。传统的抗震设计是通过提高结构本身的抗震性能来抵抗地震作用，但这种抗震设计缺乏自我调节能力，难以满足复杂地震作用下的安全要求。即使能达到设计要求，结构构件的尺寸和配筋也可能非常大。随着结构刚度的增加，结构吸收的地震力也会相应增加，这不仅给建筑布局带来一定的困难，而且在经济上也是不经济的。

关键词：学校建筑;金属阻尼器;消能减震;弹塑性分析;

引言

提高学校公共建筑在地震作用下的抗震能力是自汶川地震后一直备受关注的研究课题。高烈度地区对地震设防烈度要求较高，该类建筑的结构抗震设计难度较大。通过对常规框架结构方案及增设金属阻尼器的消能减震方案进行对比分析，发现在地震作用下阻尼器发生剪切变形，小震工况即屈服耗能，能够提供l％的附加阻尼比。相比于传统框架结构，消能减震方案能够有效减小结构构件的尺寸，进而满足学校建筑对于净高的要求。在罕遇地震作用下，该结构体系满足“强柱弱梁”的设计准则，结构位移角满足规范要求，抗震性能较纯框架结构好。研究结论可为金属阻尼器的设计和进一步研究提供参考。

一、工程概况与常规结构方案问题

此工程项目为学校建筑，属于重点设防类建筑(乙类)，地上共计16层，建筑层高为3.3m，采用的结构形式为装配整体式框架剪力墙结构，其结构安全等级为一级，重要性系数为1．1。设计参数为：设防烈度Ⅷ度(0．309)，地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，框架抗震等级为一级。由于抗震设防烈度较高，当采用常规设计方案进行框架结构试算时，遇到以下问题：(1)由于该方案结构布置为平面不规则，结构扭转效应明显。设计中柱子构件截面尺寸大，边柱截面需要达到850mm×900mm、梁截面达到400mm×900mm时，才能满足《建筑抗震设计规范(2016年版)》中1／550的限值要求(向位移角为1／564)。由于已经影响建筑的净高要求(考虑建筑粉刷面层，室内建筑最低净高仅2．95m)，因此梁高需减小。(2)部分教室在满足净高3．1 m的情况下，梁高需要减小至750mm，此时结构y向的位移角为1／510，不满足规范要求，此时主体结构的抗侧移刚度较小。(3)结构在大震下的y向位移角为1／47，不满足《建筑抗震设计规范》中l／50的限值要求。

二、消能减震方案

由于金属阻尼器的初始刚度较大，既可为上部结构提供一定刚度，又可以在小震下屈服后,给整个结构提供一定的附加阻尼。由于本工程中结构体系为框架结构，若选择屈曲约束支撑，对于建筑的使用功能特别是较大门窗洞口影响较大，故最终选择埋置在墙体内部的金属阻尼器。根据《JGJ297—2013消能减震技术规程》(中华人民共和国住房和城乡建设部)第3．1．4条，采用“对称、周边、易维护”的基本原则，将阻尼器布置在结构体系中变形较大部位，能够充分发挥阻尼器的减震效果。综合考虑工程造价等方面因素，每层在相同位置布置了6组阻尼器，l～3层共计18组。采用Midas／Gen有限元分析软件进行分析建模，将非减振结构的Midas和PKPM模型结果汇总，Midas模型与PKPM模型相比，在主要指标方面(结构质量、周期和楼层剪力)差异均小于5％，可以用该模型进行结构的时程分析。根据《建筑抗震设计规范》的相关要求，本项目共计选取了7条地震波进行分析，其中包括5条天然波：C HI—CHl TAlwAN9—20一1999 cHY010、THlTG055、TH3TG055、DUzCE TURKEY 1l一12一1999 LAMONT、Coalinga一0l—N0—327(以下简称，T1．T2、T3、T4)及2条拟合人工波R1、R2。7条地震波的加速度反应谱曲线如图1所示，

图1加速度反应谱对比曲线

对应的特征周期下的时程影响系数与规范反应谱相比均小于20％，所选择的地震波与统计意义相符；同时，7条地震波的基底剪力的平均值,也满足规范的80％～120％反应谱工况下基底剪力的要求。利用Midas／Gen中连接单元模拟金属阻尼器，进行减震结构的小震工况时程分析，每条地震波作用下结构最大位移角及基底剪力，结构的层问地震剪力和7条地震波的平均位移角，结构2个方向的位移角均小于l／600，满足规范1／550的要求。通过查看模型数据得到,基底剪力x向与Y向平均值分别为2850kN和2844kN，相比于无减振结构的地震剪力分别减小了9．7％和8．3％。小震工况下二层楼面x一3编号的阻尼器,在x向地震作用下的耗能，阻尼器在小震工况下,两端剪力已经大于产品的屈服承载力，阻尼器进入屈服状态，荷载位移曲线为滞回曲线，阻尼器在小震工况下,已经能够发挥一定的耗能效果。根据《建筑抗震设计规范》第12．3．4条相关规定，估算结构在小震下的附加阻尼比，本项目实际PKPM模型计算中,考虑阻尼器为结构提供l％的附加阻尼比，即结构总阻尼比为5％+l％=6％。在消能减震方案中，通过增加阻尼器，结构布置得到了优化，框架柱边柱截面减小为750mm×800mm，框架梁主要截面尺寸均调整为400mm×750mm，将楼面梁高由900mm减小为750mm，为建筑增加了150mm的净空，满足建筑室内净高的要求。该单体应用金属阻尼器共18组，耗能器布置在墙体内，不会对建筑使用功能产生影响。

三、消能减震方案的大震性能分析

对于采用减振阻尼器结构布置方案,进行罕遇地震下的弹塑性变形验算，目的是为了验算其结构,在大震作用下的抗倒塌能力,以及阻尼器在大震作用下耗能效果。Midas分析的基本假定如下：①考虑材料非线性以及小变形；②不考虑结构的几何非线性。利用小震下选择的7条地震波进行罕遇地震工况分析，从而得到不同地震波下结构的动力响应。给出了结构在罕遇地震作用下的层问位移角，查看数据得知：结构层问位移角分别为1／85(x向)和l／90(y向)，满足规范限值要求，且具有较大的富余。在弹塑性分析中，从分析结果可以看出，本项目选用的金属阻尼器在地震作用下滞回曲线饱满，曲线呈现出二阶折线受力模式，屈服后平台段较长，延性很好，与实验曲线相近，耗能效果显著。为了进一步保证结构的“大震不倒”性能，结构耗能通常与结构出铰情况及出铰顺序有关：列举了人工波R1在X及Y方向作用下结构的塑性铰分布情况，大部分的框架梁和部分框架柱均出现了翅性铰，其中,框架梁多数出现第一阶至第二屈服阶段的塑性铰；框架柱少数地方出现的塑性铰也基本为第一阶段屈服。查看模型中梁端与柱端的出铰过程，总体来看,框架梁先于所在位置框架柱出现塑性铰，且框架柱的塑性铰开展程度较轻：在罕遇地震工况下，结构满足“强柱弱梁”的要求，同时,也验证了结构在大震工况下的抗倒塌性能。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。对消能减震结构的大震弹塑性分析结果,和大震弹性的顶点位移时程(人工波R1)进行了对比，前5s两者基本一致，5s后当主体结构进入弹塑性后，弹塑性的顶点位移逐渐滞后，反应了减振方案中结构整体进入塑性的程度不断加深，阻尼器的耗能效果得到了体现，抗震性能较纯框架结构好。

结语

总之，对于高烈度区学校建筑，消能减震技术的应用能够提高结构的整体抗震性能，为高烈度区重点设防类建筑,提供了一种可行且有效的设计思路。小震地震作用下，结构主体弹性，金属阻尼器在小震下开始屈服耗能，阻尼器能够提供1％的附加阻尼比。相比于传统框架结构方案，通过增加阻尼器后，框架柱主要截面由850mm×900mm减小为750mm×800mm，框架梁高度由900mm减小为750mm，能够较好满足学校建筑的净高要求。

参考文献;

[1]刘刚，金属阻尼器在学校建筑的应用探讨.2022．

[2]周华鹏．金属耗能减震结构设计理论及应用.2020.