陳柏宇 楊揚(yáng)

(1.云南正元安泰建設(shè)工程設(shè)計咨詢有限公司 昆明 650000；2.云南人防建筑設(shè)計院有限公司 昆明 650000)

引言

自2016年12月1日《云南省人民政府令》第202號“云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定”施行以來，云南7度區(qū)以上大部分學(xué)校、幼兒園校舍和醫(yī)院醫(yī)療用房建筑工程均采用了隔震、減震技術(shù)。減震技術(shù)作為一種有效的被動抗震方法，在云南高烈度地區(qū)近年來得到了較大規(guī)模的應(yīng)用，其小震作用下的地震力減震效果一般可達(dá)5%～30%，大震下結(jié)構(gòu)層間位移減震效果可達(dá)30%左右[1]，新建建筑在某些情況下可以節(jié)省結(jié)構(gòu)5%～10%的造價[2]。本文主要介紹了不同類型的消能器在云南某教學(xué)樓單體建筑中的混合設(shè)計應(yīng)用，對其設(shè)計原則、流程、方法等進(jìn)行了闡述，最終設(shè)計結(jié)果表明不同類型的消能器在同一建筑中應(yīng)用的可行性，可供類似高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)減震設(shè)計參考應(yīng)用。

1 工程概況及消能器選擇

本工程位于云南省紅河州建水縣，為云南冶金高級技工學(xué)校一框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，抗震設(shè)防烈度8度(0.3g)，設(shè)計地震分組為第三組，Ⅱ類場地，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地上3層，建筑長46.2m，寬42.6m，坡屋面屋脊高15.95m。建筑使用功能為高級技工學(xué)校教學(xué)樓，屬于重點設(shè)防類建筑。

消能器的選擇：首先本工程單體平面為L形，在高烈度地區(qū)山墻兩端地震時由于兩端地震波輸入有位相差而容易產(chǎn)生不規(guī)則振動，產(chǎn)生較大的震害，故在山墻端部設(shè)置了能提供較大剛度的屈曲約束支撐(簡稱BRB下同)，BRB等同于一剛度很大的鋼支撐，在地震作用下，能有效控制樓層的扭轉(zhuǎn)位移，布置位置見圖1的1～3處。其次本工程地處8度(0.3g)地區(qū)且因建筑使用功能布置需求，結(jié)構(gòu)整體剛度不足，小震作用下變形較大，因此考慮采用金屬消能器(軟鋼剪切)，其在小震下屈服耗能，提供剛度及附加阻尼，能與BRB形成互補(bǔ)，小震下金屬消能器耗能，中大震下BRB屈服也參與耗能，金屬消能器平面布置見圖1的X1～X4、Y1～Y4處。

2 減震設(shè)計流程、目標(biāo)及方案

2.1 設(shè)計流程

本工程采用了兩種消能器，均屬于位移相關(guān)型消能器，其設(shè)計流程為：初定減震目標(biāo)→YJK初步建?！_定附加阻尼比及附加剛度→確定阻尼器布置方案→建立結(jié)構(gòu)彈性模型→合理選擇地震波及模擬阻尼器→彈性時程分析(FNA法)→復(fù)核附加阻尼比→中、大震彈塑性時程分析(直接積分法)→復(fù)核減震目標(biāo)是否實現(xiàn)→消能部件設(shè)計。

2.2 減震目標(biāo)及性能目標(biāo)

進(jìn)行減震設(shè)計首先應(yīng)確定減震目標(biāo)及性能目標(biāo)。減震目標(biāo)及性能目標(biāo)應(yīng)基于現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)(GB 50011-2010)及《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JG J297-2013)的要求，同時滿足《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定實施細(xì)則》罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移之比應(yīng)小于0.75的要求。本工程減震目標(biāo)及性能目標(biāo)見表1。

表1 減震及性能目標(biāo)Tab.1 Shock absorption and performance objectives

2.3 設(shè)計原則及方案

消能器在樓層平面內(nèi)的布置應(yīng)遵循“均勻、分散、對稱、周邊”的原則。應(yīng)盡量考慮不影響建筑功能的前提下，安裝于便于檢查、維修和更換的位置。消能器豎向布置應(yīng)先對非減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，確定層間位移角最大樓層，將消能器安裝在此樓層的合理位置，安裝數(shù)量根據(jù)具體情況而定[3]?；谏鲜鲆蟛⒔Y(jié)合減震設(shè)計目標(biāo)及建筑、業(yè)主要求，采用了18套金屬消能器(規(guī)格見表2)、6套BRB(規(guī)格見表3)。 BRB的結(jié)構(gòu)構(gòu)成見圖2，BRB與主體結(jié)構(gòu)的連接見圖3。

表2 金屬消能器參數(shù)Tab.2 Parameters of metal energydissipation device

表3 BRB參數(shù)Tab.3 BRB parameters

圖2 BRB結(jié)構(gòu)構(gòu)成Fig.2 Structure of BRB圖3 BRB與主體結(jié)構(gòu)連接Fig.3 Connection diagram of BRB and main structure

3 減震分析方法及結(jié)果

減震設(shè)計方法關(guān)鍵點在于消能器的真實模擬及與主體構(gòu)件變形協(xié)調(diào)。位移型消能器在小震下就可能會屈服耗能，處于非線性的狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)主體仍處于線彈性狀態(tài)，此時需用到彈性時程分析方法；大震下主體局部構(gòu)件及消能器均會屈服耗能，處于非線性狀態(tài)，此時需用到彈塑性時程分析方法。下文就消能器的模擬及減震分析方法展開闡述。

3.1 消能器恢復(fù)力模型

確定附加阻尼比及剛度前，先應(yīng)進(jìn)行阻尼器的初步模擬計算。按JGJ 297-2013第4.1.8條規(guī)定，軟鋼消能器和屈曲約束支撐一般可采用圖4所示的雙線性恢復(fù)力模型。BRB及軟鋼消能器在未屈服前，其剛度均為線性剛度Kd=Fdy/Δudy，而在其屈服后，其剛度為割線剛度(圖中Keff)，此剛度為非線性，因此應(yīng)采用非線性連接屬性進(jìn)行模擬。本工程采用SAP2000進(jìn)行彈性及彈塑性分析，BRB模擬如圖5所示，金屬消能器模擬如圖6所示，均采用SAP2000中的wen單元模擬。消能器的連接特性相關(guān)參數(shù)在后文進(jìn)一步探討。

圖4 雙線性模型Fig.4 Bilinear model

圖5 BRB連接屬性Fig.5 BRB connection properties

圖6 金屬消能器連接屬性Fig.6 Connection properties ofmetal energy dissipation devic

3.2 彈性等代剛度設(shè)計

按GB 50011-2010中12.3.3條規(guī)定：當(dāng)主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段時，可采用線性分析方法，如底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法，除消能器連接的子結(jié)構(gòu)以外均可按彈性狀態(tài)進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計；但由于SAP2000等軟件構(gòu)件設(shè)計方面仍不完善，因此換算阻尼器與連接構(gòu)件的等效剛度帶入PKPM或YJK軟件中進(jìn)行反應(yīng)譜分析，能進(jìn)行小震下的結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)及承載力分析，是較為簡潔有效的方法。對于金屬消能器如圖7所示，消能器、連接構(gòu)件及主結(jié)構(gòu)的剛度分別為Kd、Kb及Kf，消能器與連接構(gòu)件為剛度串聯(lián)，再與主結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度并聯(lián)[4]。對于BRB，其為典型的二力桿構(gòu)件，其等效剛度Ke=EAe/Le，Ae為PKPM或YJK軟件中截面面積，Le為支撐軸線長度，Ke對應(yīng)為BRB的屈服剛度=屈服力/屈服位移。

圖7 金屬消能器等代剛度示意Fig.7 Schematic diagram of equivalent rigidity ofmetal energy dissipation device

3.3 彈性時程分析(FNA)及彈塑性時程分析(直接積分法)

現(xiàn)減震分析方法按常規(guī)可總結(jié)為兩階段分析法，即彈性階段(小震)和彈塑性階段(中、大震)，具體如下：

(1)小震下，金屬消能器就屈服呈現(xiàn)非線性狀態(tài)，可選擇金屬阻尼器非線性而結(jié)構(gòu)主體彈性的時程分析法，真實模擬阻尼器及主體構(gòu)件的狀態(tài)。時程分析可按GB 50011-2010中5.1.2條規(guī)定合理地選擇2組人工地震波和5組實際記錄天然波，并滿足一定的統(tǒng)計要求，采用FNA方法分析(快速非線性分析方法)，此方法適用于含有有限數(shù)量的非線性單元但結(jié)構(gòu)主體保持彈性的時程分析，其計算速度快，計算結(jié)果精度可信。

(2)中、大震下，部分主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件及消能器均會屈服為塑性，此時FNA法不再適用，應(yīng)采用直接積分的動力彈塑性分析真實模擬，其難點在于合理選擇地震波及建立數(shù)值模型。地震波的選擇一般按小震下彈性時程分析地震響應(yīng)最大的3組地震波(1組人工波+2組天然波)進(jìn)行大震下彈塑性時程分析。數(shù)值模型的建立以SAP2000為例簡述如下：首先，需要建立恢復(fù)力模型的骨架曲線，一般設(shè)框架梁的塑性鉸采用My、Mz方向的彎曲-轉(zhuǎn)角型塑性鉸，當(dāng)構(gòu)件軸力影響不可忽略時，如墻、柱構(gòu)件，可以勾選考慮軸力-彎矩(P-M)相關(guān)，此種基于截面的模型計算速度快，且試驗證明截面模型能更好地擬合鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)行為；其次，還應(yīng)定義恢復(fù)力模型的滯回規(guī)則，本工程采用Tekeda滯回模型，其能較為精確地模擬鋼筋混凝土構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的彈塑性力學(xué)行為?；謴?fù)力模型的骨架曲線及滯回規(guī)則可綜合形成一個完備的恢復(fù)力滯回數(shù)值模型[5]。

3.4 減震分析結(jié)果

本工程按上述的減震設(shè)計流程及分析方法進(jìn)行了彈性及彈塑性分析，最終的分析結(jié)果如下：

(1)小震地震作用下，結(jié)構(gòu)主體彈性，軟鋼阻尼器小震下屈服耗能，為結(jié)構(gòu)提供一定的阻尼和剛度。

(2)罕遇地震作用下構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸，而后柱子出現(xiàn)柱鉸，結(jié)構(gòu)總體滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。

(3)罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)X向的層間位移角包絡(luò)值為1/144，非減震結(jié)構(gòu)X向的層間位移角為1/96，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比為0.6634；罕遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)Y向的層間位移角包絡(luò)值為1/138，非減震結(jié)構(gòu)Y向的層間位移角為1/103，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比為0.7432。滿足“罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比小于0.75”的要求。

(4)罕遇地震作用下，各金屬阻尼器均進(jìn)入塑性滯回耗能，發(fā)揮了良好的耗能能力，實現(xiàn)了減震目標(biāo)及性能目標(biāo)，為結(jié)構(gòu)主體提供了良好的安全保障。

4 消能器設(shè)計相關(guān)問題探討

4.1 消能器連接屬性參數(shù)設(shè)置

BRB和金屬阻尼器連接屬性，各計算軟件間有所區(qū)別，但對于其采取的雙線性恢復(fù)力模型模擬及線性、非線性分析工況使用的屬性，各項取值基本相同，具體如下：

1.線性分析工況使用的屬性

圖5、圖6所示依次說明：有效剛度，對于金屬阻尼器小震下屈服，有效剛度應(yīng)填入阻尼器屈服后的割線剛度，一般先試填入一比屈服剛度小的值，然后進(jìn)行迭代計算確定割線剛度值；而對于BRB，因其小震下不屈服，有效剛度可填入屈服剛度(初始剛度)。有效阻尼，與非線性時程分析無任何關(guān)聯(lián)，此值可用程序默認(rèn)零值。

2.非線性分析工況使用的屬性

圖5、圖6所示依次說明：非線性剛度，為阻尼器的屈服剛度=屈服力/屈服位移，和產(chǎn)品參數(shù)直接相關(guān)。屈服力，產(chǎn)品參數(shù)，與雙線性恢復(fù)力模型拐點處的力取值一致。屈服后剛度比，為屈服后剛度與初始剛度的比值，產(chǎn)品參數(shù)，常規(guī)產(chǎn)品一般為0.02。屈服指數(shù)，表征構(gòu)件由屈服前剛度過渡到屈服后剛度的平滑處理程度，其值建議取20～30的區(qū)間范圍，過大會程序計算不收斂，過小會造成阻尼器模擬失真。

4.2 消能器延性系數(shù)

構(gòu)件破壞時變形與屈服時變形的比值稱為構(gòu)件的延性系數(shù)。眾所周知，延性系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下可以承受大的塑性變形而不破壞倒塌，可以使地震效應(yīng)減小?，F(xiàn)行的國(行)標(biāo)規(guī)范對阻尼器的延性系數(shù)并沒有具體規(guī)定，但文獻(xiàn)[4]指出延性系數(shù)對阻尼器耗能能力、減震效率(位移、剪力降低率)影響明顯，該文獻(xiàn)3.3.3節(jié)性能曲線，將地震反應(yīng)降低率Rd、Ra表示成附加體系剛度比Ka/Kf(附加體系剛度/主體剛度，附加體系剛度為圖7中Kd、Kb串聯(lián)剛度)及系統(tǒng)最大延性系數(shù)μ兩個基本參數(shù)的連續(xù)函數(shù)，如圖8所示。從圖8可推斷，系統(tǒng)延性系數(shù)μ在一定范圍內(nèi)增大，系統(tǒng)的位移、剪力降低率均增大，對于金屬阻尼器，最大變形與最大力之間不存在相位差，因此可用剪力降低率表征擬加速度降低率。我國新疆地區(qū)減震技術(shù)規(guī)程也有規(guī)定，金屬屈服型消能器位移達(dá)到其設(shè)計位移，計算延性系數(shù)宜不小于6[6]。按現(xiàn)實際中接觸過的金屬消能器產(chǎn)品，宜控制BRB設(shè)計延性系數(shù)不小于5，剪切型金屬阻尼器設(shè)計延性系數(shù)為10～30的區(qū)間。

圖8 金屬阻尼器系統(tǒng)減震性能曲線Fig.8 Damping performance curve ofmetal energy dissipation device system

4.3 BRB的屈服及屈服力

1.BRB的屈服

按《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99-2015)附錄E第E1.1.1.2條規(guī)定，耗能型屈曲約束支撐在設(shè)防地震和罕遇地震作用下應(yīng)進(jìn)入屈服，在有條件的情況下，所有運(yùn)用BRB的工程中均應(yīng)實現(xiàn)，避免出現(xiàn)在設(shè)防地震作用下鋼筋混凝土構(gòu)件屈服，而消能器不屈服的情況。

2.BRB的屈服力

BRB的屈服力Fy=Afy，A為消能器核心鋼材面積，fy為核心鋼材屈服強(qiáng)度。常規(guī)的消能器廠家一般不會提供核心芯材的面積參數(shù)，因此有必要在設(shè)計文件中注明BRB芯材的面積或長度；面積或長度可參照《TJ屈曲約束支撐應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DBJ/CT105-2011)的4.1.1條及其條文進(jìn)行換算。

5 結(jié)語

本文通過一高烈度區(qū)減震工程實例，首先簡要說明了位移型消能器設(shè)計流程及減震設(shè)計目標(biāo)要求，其次對實現(xiàn)減震目標(biāo)的設(shè)計過程中的消能器的模擬及減震分析方法等關(guān)鍵性問題進(jìn)行了闡述，最終對消能器的連接屬性參數(shù)及延性系數(shù)等問題進(jìn)行了探討，對其取值給出了建議性意見。減震技術(shù)在高烈度地區(qū)具有良好的運(yùn)用前景，在同一建筑單體內(nèi)設(shè)置了不同類型的消能器后增加了結(jié)構(gòu)剛度并形成了良好的抗震耗能機(jī)制，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安全、合理、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。本工程減震設(shè)計中的相關(guān)問題可供類似高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。