軟鋼阻尼器在某幼兒園減震設計中的應用

張芳芳,趙振東

(1.山西大同大學,大同 037003;2.大同市建筑設計研究院,大同 037001)

中小學校舍安全直接關系廣大師生的生命安全,關系社會和諧穩定。我國《建筑抗震設防分類標準》(GB 50223—2008)進一步提高了教育建筑設防標準,特別加強對未成年人在地震等突發事件中的保護。教育建筑中,幼兒園、小學、中學的教學用房及學生宿舍和食堂,抗震設防類別應不低于重點設防類。2009年4月1日,國務院決定正式啟動全國中小學校舍安全工程,確保將學校建成最安全、家長最放心的地方。山西省是我國地震災害頻度高、強度大、范圍廣、災害重的省份之一[1]。全省77%的國土面積屬地震高烈度區,全省共有11個地震重點危險區和5個地震值得注意地區,70%的產值與人口來自于強震活動區,100%的建筑需要抗震設防。山西省積極推進建筑工程減隔震技術,對于抗震設防烈度8度區、地震重點危險區學校和幼兒園的新建教學用房、學生宿舍、食堂以及醫院的新建醫療建筑,必須采用減隔震技術[2]。近年來,減隔震技術在山西省得到廣泛應用,并取得了一定成效。

1 工程概況

山西省某幼兒園綜合樓,結構形式為四層鋼筋混凝土框架結構,由兩道伸縮縫將結構分為三段,取左側伸縮縫以左部分進行分析。場地抗震設防烈度為8度,基本地震加速度0.20g,設計地震分組為第二組,場地類別為II類,框架抗震等級為一級。建筑結構的安全等級為二級,建筑抗震設防類別為乙類。為增強結構抗震能力,提高建筑物的可靠性和安全性,采用消能減震附加體系,以降低主體結構設計內力,使主體結構能夠滿足8度區地震的變形要求,提高結構抗震水平。

2 消能減震設計

通過在建筑物的抗側力體系中設置消能部件或裝置,消能減震部件或裝置消耗地震能量,起到“保險絲”的作用,有效地保護主體結構在強震中的安全[3],且采用消能減震措施還可以減少或者避免其他傳統加固措施對結構正常使用帶來的不利影響。軟鋼阻尼器因其占地面積小,不妨礙建筑功能,且構造簡單、減震效果明顯,在近年來得到了廣泛的應用。阻尼器在小震下進入屈服狀態,耗散地震能量,給整體結構提供附加阻尼比,同時也能提供一定的抗側剛度,進一步降低水平側向位移,如圖1所示。

典型的軟鋼阻尼器由耗能板、連接板和加勁肋構成,以耗能板的剪切屈服耗能為主,耗能能力飽滿,如圖2所示。將阻尼器安裝在結構中具有相對變形位置上,一般在層間。因其占地面積小,可布置在窗間墻位置,不妨礙建筑功能,典型的連接構造如圖3所示。通常,主體結構完成后再安裝阻尼器,阻尼器不承擔豎向力。

2.1 消能減震設計目標

根據設計需求,該項目需要3%的附加阻尼比。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)(2016版):“消能減震結構的層間彈塑性位移角限值,應符合預期的變形控制要求,宜比非消能減震結構適當減小?！?/p>

在該工程采用消能減震設計,在8度小震下層間角應小于抗震規范規定的彈性變形限值,即1/550;在8度大震下層間角小于1/50[3]。阻尼器需具有一定的層間剛度,具備抵抗層間變形的能力;且在小震下進入屈服狀態,耗散地震能量,相當于附加給結構一定的阻尼比,進一步降低地震作用,保證8度小震下的變形要求。工程在8度小震作用下,阻尼器進入屈服狀態,為結構提供附加抗側剛度和附加阻尼比,使其滿足小震下變形限值;在遭受設防烈度的地震作用時,進入屈服狀態;在大震作用下,阻尼器發生更大程度的變形,耗散大量地震能量,控制結構整體變形,減少主體結構的損傷。

2.2 消能減震方案

若在框架跨間、層間布設斜撐式防屈曲支撐,則將影響學校建筑嚴格的人流交通、采光、通風、緊急通道等方面的功能要求。因此應選用墻式阻尼器,如軟鋼阻尼器、摩擦型阻尼器和搖擺墻等形式,可有效避開門、窗洞口,布置更加靈活。該工程選用軟鋼阻尼器,合理選擇阻尼器型號,優化阻尼器的布置,以更好的發揮阻尼器的性能,減小主體結構的地震力作用,降低整體結構的地震反應。

阻尼器宜根據需要沿結構主軸方向設置,使結構在兩個主軸方向的動力特性相近,形成均勻合理的結構體系,同時避免受扭,應盡量均勻地布置在結構周邊,其數量、型號、位置通過時程分析優化調整后確定,在1軸布置1個阻尼器,4軸布置2個阻尼器,C軸布置1個阻尼器,H軸布置2個阻尼器,布置方式見圖4。因1軸和2軸間僅有2層,故NBD-1-H×1～2和NBD-1-1×G～H布置于1～2層,其余阻尼器布置于1～3層;3層阻尼器使用摩擦型阻尼器,位置與1～2層阻尼器相同。該工程共采用12個軟鋼阻尼器和4個摩擦型阻尼器,具體參數見表1。與阻尼器連接的構件及周邊構件的截面抗震驗算宜符合相應的規定,同時還要按照抗規要求使設計滿足“強柱弱梁”、“強剪弱彎”。

表1 阻尼器規格及力學參數

3 結構有限元分析

3.1 分析模型

在相同條件下,采用PKPM結構設計軟件建立原鋼筋混凝土框架結構的有限元分析模型,采用盈建科結構設計軟件分別建立原結構模型和安裝軟鋼阻尼器后結構的有限元分析模型。

通過對框架結構整體預設附加阻尼比及對特殊支撐附加預設剛度后計算,使附加阻尼比及層間位移角收斂至一確定值。根據計算所得附加阻尼比及層間位移角對結構進行配筋及構造設計。最后使用彈塑性分析,驗算附加阻尼器的結構在8度大震作用下的層間位移角是否達到規定要求。

在盈建科結構設計軟件中,選擇使用bouc-wen模型的塑性單元來模擬軟鋼阻尼器,其彈塑性力-位移關系采用初始剛度、屈服力、屈服后剛度比三個參數進行模擬,為使曲線接近雙線性模型,屈服指數取一極大值,力學參數見表1。

3.2 地震波選擇

3.2.1 設防和罕遇地震作用下的時程分析

時程分析能精確地反映出整個地震過程中,結構從彈性階段到彈塑性階段的內力變化及構件從開裂到結構倒塌的全過程。時程分析法根據結構是否進入彈塑性狀態劃分為兩種[5]:線性時程分析(彈性)、非線性時程分析(彈塑性)。對于減震結構,如果要精確分析消能器的變形耗能能力,就必須對其進行彈塑性地震反應分析。我國抗震規范也規定,對消能減震結構進行設計分析時,一般宜采用靜力彈塑性分析或非線性的時程分析法。

3.2.2 地震波選則

按照抗震設計規范,在進行彈塑性時程分析時,應結合該建筑場地類別設計地震分組。選用二組實際強震記錄和一組人工模擬加速度時程曲線,地震動記錄的相關信息如表2所示,地震動時程如圖5所示。

表2 地震記錄基本信息

3.3 結果分析

先用PKPM軟件建立8度抗震設防的混凝土框架結構模型,再采用盈建科軟件建立8度抗震設防的混凝土框架結構和消能減震設計的框架結構模型,施加重力荷載和質量,進行模態分析,取前9階振型對比,見表3?？梢?采用兩種結構分析軟件建立的結構模型的自振周期非常接近,誤差小于10%,則表明采用盈建科軟件建立的消能減震結構模型是合理的,可用來進行減震分析。

表3 8度設防下原結構與消能減震結構的自振周期 /S

在8度小震地震力作用下(反應譜峰值 0.07g),X、Y方向的層間位移和層間位移角見表4,兩個方向的最大層間角均遠小于1/550,滿足規范要求。阻尼器在X和Y向分別附加阻尼比為3%和3%。

表4 8度小震作用下結構位移驗算

對3條地震波進行彈塑性時程分析,驗算罕遇地震下消能減震結構各層層間位移,分析結果如表5所示,均滿足1/50層間角的要求。

表5 8度罕遇地震作用下結構位移角驗算

以上結果表明,安裝消能減震設備后結構可有效降低地震作用。原結構基本滿足小震下的抗震性能,但有明顯的薄弱層存在,不能滿足大震抗震性能。附加阻尼器后,阻尼器在小震下進入屈服較小,附加了3%的附加阻尼比,且可分擔部分地震剪力,有效降低主體結構的地震內力和界面尺寸。在大震下阻尼器進入屈服狀態,大量耗散地震能量,結構的最大層間位移角1/68滿足大震要求的1/50,因此可在大震作用下起到防止結構嚴重破壞的作用。

4 結 語

山西省某幼兒園綜合樓可基本滿足小震下的抗震性能,但不滿足大震抗震性能,有明顯的薄弱層存在。采用軟鋼阻尼器減震技術后,阻尼器在小震下可有效降低主體結構的地震內力,大震作用下起到防止結構嚴重破壞的作用。