学校工程中减震技术的设计
耿慧玲
【摘 要】在某学校教学楼的设计过程中,采用了黏滞阻尼器对结构进行消能减震,经过对结构整体抗震性能的计算分析,合理地布置了阻尼器,满足了抗震的需要,保证了结构的安全.
【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2018(044)022 【总页数】2页(P41-42)
【关键词】消能减震;附加阻尼比;抗震性能 【作 者】耿慧玲
【作者单位】山西省建筑设计研究院,山西 太原 030013 【正文语种】中 文 【中图分类】TU352.11 0 引言
地震灾害，危害极大又不可预测，突然发生时，可能会使大量建筑物及地面设施造成强烈的破坏，会引起构筑物的塌陷、裂缝和一系列的次生灾害，造成人员及财产的大量损失。2008年5月12日汶川8.0级地震,造成大量的人员伤亡和惨重的经济损失。之后，灾前预防被高度重视，国家相关部门对震害资料进行收集与分析，对地震后保留完好的结构采取的措施进行调查，短时间内完成了对GB 50223—
2008建筑工程抗震设防分类标准和CB 50011—2001建筑抗震设计规范的修订，于2008年7月30日发布实施了新的标准规范。
传统抗震方法是通过增大梁柱等构件的截面尺寸，增加结构刚度来抵抗地震的影响，但往往造成进一步的刚度集中，使截面尺寸和配筋面积进一步增大，如此，增加了结构的造价，并且安全性能得不到很好的保证。传统抗震方法不够经济和科学，近年来，结构耗能抗震领域有了较快的进展，研究了可靠度高和经济适用的抗震减震方法，对传统方法的缺陷有了弥补和更新。
住建厅于2014年也发布了《关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见》，文件规定位于抗震设防烈度8度及以上的地震高烈度区的3层及以上幼儿园、学校、医院等人员密集公共建筑，均应优先采用减隔震技术进行设计。山西省内的8度设防区占到总面积的21.82%，约3.42万km2，减震隔震在建筑设计工作中，将得到日益广泛的应用。 1 工程概况
本工程为晋中市榆次区某小学新建教学楼项目。结构形式为钢筋混凝土框架结构，共4层，1层～3层的层高为3.6 m,4层层高为5.1 m,水箱间层高为3.6 m,室内外高差为0.45 m，总建筑高度为16.35 m。建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组；场地类别Ⅲ类，根据液化计算判别结果，拟建场地为液化场地，液化等级中级；拟建场地属于对建筑抗震不利地段；基本风压取0.4 kN/m2；结构设计年限为50年；地面粗糙度类别为B类；框架抗震等级为一级；抗震设防类别为乙类。结构整体分析计算程序：北京盈建科软件有限责任公司编制的YJK V1.8.2.0，拟采用阻尼器消能技术进行抗震设计。
该耗能减震设计方案是通过在结构构件上添加黏滞阻尼器，给结构附加阻尼和刚度，在地震来临时，增大结构刚度，减小结构位移，减小自振周期，消耗一大部分的地
震能量，从而减少地震对结构的影响，保证结构的安全度。 2 ETABS分析模型验证
首先，进行YJK模型准确性的验证，建立框架结构的ETABS模型，将ETABS和YJK模型计算得到的周期、质量、地震剪力进行对比(模型中梁柱都对中处理，不考虑地下室及楼面坡屋顶)。经计算，原结构YJK模型与ETABS模型的周期、地震剪力、结构计算质量的计算结果都比较相近(除顶层外，顶层出屋面小塔楼在YJK和ETABS软件中计算方法不同，ETABS软件中没有考虑鞭梢效应)，由此推断，YJK模型能较为真实地反映结构的基本特性，可作为本工程消能减震分析的有限元模型。 3 地震波的选取
本工程选取了5条强震记录和2条人工模拟加速度时程，其中实际强震记录的数量满足规范要求，不小于总数的2/3。计算分析显示，多条时程计算的结构底部剪力的平均值应大于振型分解反应谱法结果的80%，每条时程计算所得的结构底部剪力均大于振型分解反应谱结果的65%。 4 阻尼器的布置原则
1)减震设计控制指标：按多遇地震计算时，主体结构应该保持弹性要求，而且非结构构件也不应出现明显的破坏；按罕遇地震计算时，结构从弹性过渡到弹塑性，但阻尼器系统仍能正常工作，发挥其功能。
2)在阻尼器布置时，应充分考虑建筑平面使用功能的要求，选择合适位置的隔墙，将阻尼器安置在中间，并采用防火轻质材料作为隔板，然后依据位移控制要求和水平向地震力等参数，通过计算分析来确定阻尼器的准确位置和数量。消能构件一般布置在结构的X，Y两个主轴方向，以达到增加两个方向的阻尼和刚度的目标。 3)阻尼器应安置在相对速度或层间相对位移较大的楼层，通过尽可能地增加消能器两端的相对速度和相对变形，以提高阻尼器的有效减震作用。
4)初步布置好阻尼器后，对结构进行整体抗震性能分析，包含多遇地震作用下的弹性分析和罕遇地震作用下的弹塑性分析，根据分析结果进行优化调整。
5)截面配筋设计时，应按照各层消能部件的最大阻尼力来计算，对结构中相关梁柱节点进行强度校核，并适当对节点部位采取一些补强措施，来保证结构的安全性能。 5 附加阻尼比
该工程为多层框架结构，以剪切变形为主，在不计其扭转影响时，消能减震设施在水平地震作用下的总应变能可依据GB 50011—2010建筑抗震设计规范中第12.3.4条款应变能法来计算。 6 消能减震效果分析
6.1 多遇地震作用下的弹性分析
时程波采用选取的七条波，对于多遇地震的峰值加速度，8度(0.2g)为70 cm/s2，并考虑刚度折减。
对于多遇地震作用下的弹性工况，分析内容包括：阻尼器在多遇地震下的实际等效附加阻尼比计算、结构减震前后的层间剪力及层间位移角对比和滞回耗能分析等。 考虑到本工程底层的位移反应较大，在X向和Y向均选取阻尼器，根据其在多遇地震下的耗能曲线，查验到阻尼器表现了较好的消能能力。 6.2 罕遇地震作用下弹塑性非线性地震反应分析
对于罕遇地震的工况分析内容如下：阻尼器的设计承载力、结构抗震性能的改变、减震前后结构的屈服机制改变等。
根据“大震不倒”的原理，结构在罕遇地震来临时，部分构件屈服甚至发生破坏，结构性能从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发展，结构性能也发生改变，此时应当按非线性状态来作计算分析。在非线性分析的过程中，通过弹塑性层间位移角验算结构大震下的位移是否满足规范要求；通过铰类型判断“强剪弱弯”、通过出铰顺序判断“强柱弱梁”；通过对结构、构件的承载能力和延性的判断进行性能设计；
通过对小震、中震、大震分析结果的比较来判断结构、构件的承载能力和延性。 根据规范要求，弹塑性最大层间位移角不得大于1/50，设计通过弹塑性时程分析，得出阻尼器的最大速度和位移，验算其最大弹塑性变形是否满足规定的限值。根据X，Y向计算结果看出，该结构的层间位移角均满足规范1/50的限值要求，表明结构布置的黏滞阻尼器方案是合理、切实可行的。 7 附加阻尼比和减震方案的确定
通过对该工程结构进行多遇地震作用下弹性分析和罕遇地震作用下弹塑性分析，得出的结果表明，结构采用消能减震设计方案具有独到的作用和优良的效果，设计成果如下所示：
1)多遇地震时，阻尼器为结构提供的附加阻尼比计算如下：X向为4.65%，Y向为4.72%，最终设计时，取附加阻尼比为3%。
2)罕遇地震时，计算得到X，Y向的最大层间位移角都小于1/50。
3)在基于多遇、罕遇地震作用下，采用黏滞阻尼器进行减震设计之后，对原结构薄弱层的抗震性能也有了一定程度的提高。
4)根据大震计算结果，建议的黏滞阻尼器产品参数如表1所示。 表1 阻尼器产品参数位移/mm±45阻尼力/kN±450阻尼指数0.3
5)对计算结果进行校核，发现在结构一层中，部分结构构件已达到极限承载力，因此，在设计制图时，应对构件采取配筋加强的措施，最终柱配筋率不得小于2.5%，箍筋沿柱全长加密。梁采用双筋截面，并且支座负筋不得小于3 000 mm2，底筋不得小于3 000 mm2，箍筋沿梁全长加密。 8 结语
该耗能减震设计方案是通过在结构构件上添加黏滞阻尼器，给结构附加阻尼和刚度，在地震来临时，增大结构刚度，减小结构位移，减小自振周期，消耗一大部分的地震能量，从而减少地震对结构的影响，保证结构的安全度。消能构件应按最大层间
位移角不大于1/50进行控制计算，均匀布置在结构的X，Y两个主轴方向，同时增加两个方向的阻尼和刚度。在某学校教学楼的设计过程中，采用了黏滞阻尼器对结构进行消能减震，经过对结构整体抗震性能的计算分析，合理地布置了阻尼器，满足了抗震的需要，保证了结构的安全。
【相关文献】
[1] JG/T 209—2012，建筑消能阻尼器[S]. [2] JGJ 297—2013,建筑消能减震技术规程[S].
[3] 唐家祥.隔震与消能减震结构的设计规定——建筑抗震设计规范修订简介(七)[J].工程抗震，2015(3):13-17.
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