陳 彬

(成都市建筑設(shè)計(jì)研究院,四川成都 610015)

我國有接近50 %的國土面積位于地震高烈度區(qū)域，如何減小地震帶來的災(zāi)害，一直是工程界關(guān)注的主要問題。傳統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)抗震方法是通過加大梁、墻、柱等構(gòu)件的截面來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。這是一種硬碰硬的抗震方式，通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞來消耗地震輸入的能量。但是，在一些重要的建筑物或構(gòu)筑物中，不允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞；另外不斷加大構(gòu)件截面會(huì)增加結(jié)構(gòu)剛度，地震反應(yīng)增大，使工程造價(jià)大大提高。因此消能減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)中逐漸推廣。本文通過在西昌市(抗震設(shè)防烈度為9度)某棟辦公樓主樓中采用消能減震技術(shù)，通過設(shè)置的消能構(gòu)件進(jìn)入非彈性階段來吸收、消耗地震能量，為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，有效降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

1 工程概況

攀鋼集團(tuán)有限公司攀鋼西昌釩鈦資源綜合利用項(xiàng)目廠前區(qū)辦公樓位于西昌市經(jīng)九鄉(xiāng)，整個(gè)項(xiàng)目包括主樓、附樓、停車庫、走廊、值班室。其中主樓地下室為一層，主樓地上十五層，建筑總高從室外地坪到大屋面為59.300 m，到觀光塔頂為66.800 m，主樓采用型鋼混凝土框架—鋼筋混凝土抗震墻結(jié)構(gòu)。附樓部分地上四層，無地下室，建筑總高17.500 m。主樓前側(cè)為單層地面車庫，層高為4.500 m，采用框架結(jié)構(gòu)。工程總建筑面積為45 829 m2，本項(xiàng)目已于2013年 6 月竣工，已投入使用五年，建筑實(shí)景圖見圖1。

圖1 辦公樓實(shí)景

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級，設(shè)計(jì)使用年限為50 a?？拐鹪O(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)地震分組第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.4g，建筑場地類別為II類，場地特征周期0.65s，地面粗糙度類別為B類，50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2。設(shè)計(jì)依據(jù)規(guī)范為2000系列規(guī)范。以下主要介紹主樓的設(shè)計(jì)過程。

本工程采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，主樓框架柱為型鋼混凝土柱，截面為800 mm×800 mm，框架梁為型鋼混凝土梁，截面為400 mm×700 mm，剪力墻厚度底層為300～700 mm，以上逐級減小。墻柱混凝土等級：地下室及地面1～4層為C55，5～7層為C50，8、9層為C45,10、11層為C40，12、13層為C35、13層以上為C30，梁為C30。柱、梁縱筋采用HRB400鋼筋。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需解決的難題

本工程存在以下幾個(gè)問題需要解決：

(1)本工程建筑場地為靠山削坡回填而成，回填深度達(dá)到30 m左右。根據(jù)GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡稱《抗規(guī)》)第4.1.8條的要求，“在非巖石和強(qiáng)風(fēng)化巖石的陡坡、邊坡邊緣等不利地段建造丙類及丙類以上建筑時(shí)，尚應(yīng)估計(jì)不利地段對設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)可能產(chǎn)生的放大作用，其水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)乘以增大系數(shù)。其值應(yīng)根據(jù)不利地段的具體情況確定，但不宜大于1.6”。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行計(jì)算，水平地震影響系數(shù)最大值的增大系數(shù)為1.2。

(2)建筑場地回填在前期已經(jīng)完成，回填深度為30 m左右，回填材料為削坡的土方。填土均勻性和密實(shí)度較差，后期還有一定的沉降，對擬建工程不利，不能作為天然地基使用。建筑采用的基礎(chǔ)形式選用旋挖灌注樁基礎(chǔ)，并考慮回填土的負(fù)摩阻力。采用鋼筋混凝土框架-抗震墻的結(jié)構(gòu)，在樁頂斜截面受剪承載力和樁身所受水平剪力的計(jì)算不能滿足規(guī)范要求。

(3)本工程建筑總高為59.30 m，已經(jīng)超過《高規(guī)》A級高度鋼筋混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)建筑的最大適用高度(其最大適用高度為50 m)。雖結(jié)構(gòu)形式采用全型鋼混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)(根據(jù)《高規(guī)》要求，最大適用高度可以達(dá)到70 m)，但地震作用比通常的九度區(qū)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目要大。

(4)本工程建筑平面雖比較規(guī)整，為矩形，建筑高寬比為2.4。但平面柱網(wǎng)比較大，典型柱網(wǎng)尺寸為8.0 m×8.4 m，這在抗震烈度為9度的地區(qū)，設(shè)計(jì)難度比較大，層間位移角不易滿足規(guī)范要求。建筑平面標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.7 m，對梁的截面高度有一定的要求。設(shè)計(jì)過程中，對多個(gè)方案進(jìn)行比對(表1)。

表1 結(jié)構(gòu)方案對比

由表1對比分析可知，傳統(tǒng)的用“抗”的辦法，即通過增大截面、配筋、增設(shè)抗震墻來抵抗地震力的辦法在9度區(qū)并不適用。結(jié)構(gòu)剛度越大，地震反應(yīng)越大。結(jié)構(gòu)剛度的增加，遠(yuǎn)不及地震反應(yīng)的增加，出現(xiàn)了抗震墻加得越多，結(jié)構(gòu)層間位移角越大的情況。

顯然，單純依靠“硬抗”的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，無法滿足該工程的抗震設(shè)計(jì)要求，故對本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)是必要的。

3 消能減震技術(shù)方案比較

3.1 采用PKPM進(jìn)行計(jì)算

采用PKPM對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在位移滿足規(guī)范要求的前提下，結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)周期

表3 結(jié)構(gòu)基底剪力 kN

局部的連梁、短梁存在超筋問題；部分柱存在節(jié)點(diǎn)域抗剪超限。

3.2 采用黏滯阻尼器單元

當(dāng)采用黏滯阻尼器時(shí)，黏滯阻尼器的各項(xiàng)參數(shù)如下：Fd=2000 kN，v=50 mm/s，阻尼指數(shù)α=0.12，C=1 250 kN·s/mm。 經(jīng)計(jì)算，黏滯阻尼器附加給結(jié)構(gòu)的阻尼比最大只達(dá)到4.68 %?？紤]到阻尼器的數(shù)量過多對建筑功能的影響過大。因而此方案暫不考慮。

3.3 采用位移型軟鋼阻尼器單元

3.3.1 阻尼器設(shè)置的位置及組數(shù)

阻尼器的力學(xué)參數(shù)為：彈性剛度=6.11×105kN/m；屈服力=299 kN。結(jié)構(gòu)在建筑1層布置7組軟鋼阻尼器；在建筑2層布置7組軟鋼阻尼器；在建筑3層布置8組軟鋼阻尼器；在建筑4層布置7組軟鋼阻尼器；在建筑5～10層各布置7組軟鋼阻尼器。共計(jì)71組。典型平面布置見圖2。

圖2 主樓典型平面軟鋼阻尼器位置示意

3.3.2 消能減震設(shè)計(jì)的線性計(jì)算分析方法

《抗規(guī)》第12.3.3條第1款規(guī)定：當(dāng)主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段時(shí)，消能減震設(shè)計(jì)可采用線性分析方法作簡化估算。而且JGJ 297-2013《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》[2]第6.3.3條規(guī)定：采用振型分解反應(yīng)譜法分析時(shí)，結(jié)構(gòu)有效阻尼比和消能器的參數(shù)可采用附加阻尼比的迭代方法計(jì)算。其條文說明指出：對于消能減震結(jié)構(gòu)，無法預(yù)先估計(jì)主體結(jié)構(gòu)在加入消能部件后的最終變形情況，只能是預(yù)先假設(shè)一個(gè)阻尼比，將消能部件布置于結(jié)構(gòu)中，并調(diào)整消能器的數(shù)量和位置，再對消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，反算出消能器在相應(yīng)的阻尼比情況下的位移，通過消能器的恢復(fù)力模型和相應(yīng)的公式求解消能減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，并反復(fù)迭代，使計(jì)算出的附加阻尼比與預(yù)先假設(shè)的阻尼比接近時(shí)，則計(jì)算結(jié)束。

《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》第5.6.3條規(guī)定，位移型阻尼器的性能參數(shù)為：

Fd=KeffΔu

(1)

(2)

依《抗規(guī)》第12.3.4條第2款和《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》第6.3.2條第2款規(guī)定：消能減震部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可依下式估算：

ζd=WC/(4πWS)

(3)

式中：ζd為消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比，不超過25 %；WC為所有消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量；WS為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。依《抗規(guī)》第12.3.4條第3款和《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》第6.3.2條第3款規(guī)定：在不計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響時(shí)，WS可為：

WS=(1/2)∑Fiui

(4)

Fi為質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；ui為質(zhì)點(diǎn)i對應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。

依據(jù)《抗規(guī)》《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》，提出消能減震技術(shù)的等值線性分析方法，其線性分析步驟簡單描述如下：

(1)計(jì)算與各個(gè)位移型阻尼器相接合的支撐構(gòu)件(斜撐或是墻體)的剛度(Kb)j，j代表第j個(gè)阻尼器。

(2)設(shè)定各個(gè)位移型阻尼器的初始有效剛度(Keff)j及初始的消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比ζ。

(3)將各個(gè)阻尼器的有效剛度(Keff)j和支撐構(gòu)件的剛度(Kb)j，利用串聯(lián)關(guān)系計(jì)算求得各消能減震部件(含阻尼器及其接合的支撐構(gòu)件)的等值剛度(Ka)j。

(4)利用(Ka)j將各消能減震部件轉(zhuǎn)換為等值斜撐或等值柱，并求得其斷面性質(zhì)。

(5)將消能減震結(jié)構(gòu)的初始總阻尼比和各等值斜撐或等值柱的斷面性質(zhì)放入分析模型中，并依據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法做結(jié)構(gòu)分析。

(6)經(jīng)由結(jié)構(gòu)分析求得各樓層的水平剪力、水平相對位移及各等值斜撐或等值柱的剪力(Fa)j和相對位移(Δa)j。

(7)利用各樓層的水平剪力、水平相對位移或利用公式(4)計(jì)算結(jié)構(gòu)在水平地震力下的總應(yīng)變能WS。

(8)依能量相等法則，如圖3所示，利用各等值斜撐或等值柱的剪力(Fa)j和相對位移(Δa)j可求得第j個(gè)阻尼器在地震作用下實(shí)際的阻尼力(FD)j及位移(ΔD)j。

圖3 能量相等法則示意

(9)由阻尼器的阻尼力(FD)j及位移(ΔD)j計(jì)算求得所有阻尼器所做的功WC。

(10)重新修正各個(gè)阻尼器的有效剛度(Keff)j，并利用下式計(jì)算結(jié)構(gòu)有效阻尼比：

ζ=ζd+ζ1=WC/(4πWS)+ζ1

(5)

式中ζ為結(jié)構(gòu)總阻尼比；ζd為阻尼器提供的有效阻尼比；ζ1為結(jié)構(gòu)固有阻尼比。

將步驟(10)計(jì)算所求得之結(jié)構(gòu)總阻尼比及各個(gè)阻尼器的有效剛度作為初始值，并重復(fù)步驟(2)至步驟(10)。反復(fù)迭代，直至步驟(2)使用的初始結(jié)構(gòu)總阻尼比與步驟(10)計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)總阻尼比相等為止。

由上看見，阻尼器的非線性行為可利用等效及線性迭代的方法簡化為線性行為。另外，此分析方法是將阻尼器和其支撐構(gòu)件轉(zhuǎn)換為等值斜撐或等值柱放入結(jié)構(gòu)模型中做結(jié)構(gòu)分析，使消能減震結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)模型中可不需要阻尼器的元素，依然可做結(jié)構(gòu)分析。

若結(jié)構(gòu)分析程序中沒有阻尼器單元，無法直接輸入位移型阻尼器的有效剛度時(shí)，可以利用串聯(lián)關(guān)系將阻尼器部件(包含阻尼器和其連接的支撐構(gòu)件)轉(zhuǎn)換成等值柱或是等值支撐來模擬阻尼部件提供給主體結(jié)構(gòu)的附加剛度。

在有阻尼器單元的分析程序中，位移型阻尼器采用阻尼器單元的線性行為來進(jìn)行分析。在連接單元中輸入阻尼器的有效剛度并采用上述的線性分析方法來進(jìn)行消能減震結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震下的振型分解反應(yīng)譜法分析。

3.3.3 布置位移型阻尼器結(jié)構(gòu)的附加阻尼比計(jì)算

依據(jù)3.3.2節(jié)的等值線性分析方法，利用SATWE做消能減震分析。阻尼器的力學(xué)參數(shù)為：彈性剛度K=6.11×105kN/m；屈服力=299 kN。表3～表5為線性分析過程中，阻尼器的有效剛度的變化及各個(gè)阻尼器的位移、阻尼力及阻尼器所做的功。由分析結(jié)果可求得，在多遇地震下結(jié)構(gòu)總阻尼比由4 %提升至8.20 %(表6)。

表3 第一次等直線性分析

表4 第二次等直線性分析

表5 第七次等直線性分析

表6 結(jié)構(gòu)的有效總阻尼比的計(jì)算過程

3.3.4 布置位移型阻尼器的結(jié)構(gòu)在PKPM中的計(jì)算結(jié)果

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行PKPM計(jì)算，此時(shí)結(jié)構(gòu)的周期、基底剪力見表7、表8。

表7 采用位移型阻尼器的結(jié)構(gòu)周期

表8 采用位移型阻尼器的基底剪力 kN

采用位移型阻尼器的位移角(X向最大位移角為1/806，Y向最大位移角為1/802)，結(jié)構(gòu)基本上不存在超筋問題。

4 靜力非線性推覆分析

根據(jù)《抗規(guī)》12.3.3條規(guī)定以及《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》4.1.2條的規(guī)定，當(dāng)消能減震結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)，應(yīng)采用靜力彈塑性分析方法或彈塑性時(shí)程分析方法。本工程利用ETABS軟件對增設(shè)阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力非線性推覆分析。在框架柱中設(shè)定默認(rèn)軸力彎矩鉸(Default-PMM)及剪力鉸(Default-V2)；在鋼支撐中設(shè)定默認(rèn)軸力鉸(Default-P)；不對框架梁設(shè)定塑性鉸。本工程使用的阻尼器屬于位移型阻尼器，所以設(shè)定阻尼器為剪力塑鉸。

圖4為X向(長向)推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)剪力墻中塑鉸分布圖。圖5為Y向(短向)推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)剪力墻中塑鉸分布圖?？梢奨向、Y向推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)，剪力墻中塑鉸數(shù)量較多；塑鉸豎向分布較為均勻，未出現(xiàn)塑鉸分布集中在個(gè)別樓層的現(xiàn)象；塑鉸程度為LS(代表生命安全)。

圖4 主樓X向推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)剪力墻中塑鉸分布

圖5 主樓Y向推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)剪力墻中塑鉸分布

圖6為X向(長向)推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)框架柱中塑鉸分布圖。圖7為Y向(短向)推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)框架柱中塑鉸分布圖?？梢奨向、Y向推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)框架柱中塑鉸數(shù)量較少；塑鉸豎向分布較為均勻，未出現(xiàn)塑鉸分布集中在個(gè)別樓層的現(xiàn)象；塑鉸程度為IO(代表直接使用)。

圖6 主樓X向推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)框架柱中塑鉸分布

圖7 主樓Y向推覆至大震性能點(diǎn)時(shí)框架柱中塑鉸分布

在罕遇地震下，主樓各層X方向的最大彈塑性層間位移角值為1/174，主樓各層Y方向的最大彈塑性層間位移角值為1/188，均小于規(guī)范限制1/100。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目采用ETABS及PKPM軟件，對攀鋼廠前區(qū)辦公樓主樓加設(shè)位移型阻尼器，建立計(jì)算模型并進(jìn)行分析研究。主要結(jié)論為：多遇地震作用下，在PKPM中加設(shè)軟鋼阻尼器的結(jié)構(gòu)，軟鋼阻尼器不僅增加結(jié)構(gòu)的剛度而且可以增加結(jié)構(gòu)的附加阻尼比。與原結(jié)構(gòu)相比不僅使結(jié)構(gòu)的基底剪力減小，結(jié)構(gòu)的位移角也滿足規(guī)范規(guī)定的抗震要求，這時(shí)結(jié)構(gòu)的附加阻尼比為4.2 %。加設(shè)軟鋼阻尼器的結(jié)構(gòu)方案布置數(shù)量較少，同時(shí)能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的要求，這個(gè)方案是解決該結(jié)構(gòu)減震的最佳方案。通過對消能減震技術(shù)在高烈度地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究，以期為今后的實(shí)際工程作參考。