蔡新宇 李莉斯 孫威宇 高月存

（西藏大學(xué)，西藏 拉薩 850000）

西藏是我國地震多發(fā)區(qū)之一，幾乎每月都有不同程度的地震在西藏地區(qū)發(fā)生，偶爾有5級(jí)以上地震。西藏自治區(qū)位于歐亞板塊和印度洋板塊碰撞帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)強(qiáng)烈，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的威脅和危害。1950年以來在西藏發(fā)生7 級(jí)以上的地震共計(jì)5次。近年來，西藏地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻度都有增強(qiáng)趨勢(shì)，2000年至今，西藏共發(fā)生5級(jí)以上地震38次，其中6級(jí)以上地震5次，造成上億元的經(jīng)濟(jì)損失。未來一段時(shí)間西藏境內(nèi)仍有發(fā)生7級(jí)以上地震的可能性。

因此減隔震技術(shù)在西藏拉薩地區(qū)的應(yīng)用對(duì)提高建筑物安全性、可靠性、耐久性、具有必要的現(xiàn)實(shí)意義。[1]

1 工程基本情況

1.1 建筑情況

本項(xiàng)目單體位于拉薩市，功能主要為幼兒園教學(xué)樓。建筑平面圖如圖1所示，該建筑共3層（局部存在突出屋面樓梯間），結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為12.20m。房屋抗震設(shè)防烈度為8度（0.3g），場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地特征周期為0.55s，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)為0.75，結(jié)構(gòu)固有阻尼比為0.05，消能支撐目標(biāo)附加阻尼比為3%。

圖1 建筑物平面圖

1.2 本結(jié)構(gòu)抗震思路

1.2.1 構(gòu)造方面

以強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎的原則貫穿本設(shè)計(jì)及以后的施工圖設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)抗震的性能。

1.2.2 采取措施

由于本工程為乙類建筑，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用消能減震設(shè)計(jì)，抗震等級(jí)框架為一級(jí)，其抗震構(gòu)造措施均按規(guī)范要求執(zhí)行，樓梯部分配筋和連接均按規(guī)范要求進(jìn)行加強(qiáng)。消能減震結(jié)構(gòu)是將消能部件（本工程采用粘滯阻尼墻）布置在填充墻的位置，所以只需要加強(qiáng)與之相連的框架梁、柱，不會(huì)影響和改變?nèi)魏谓ㄖδ堋?/p>

2 房屋消能減震設(shè)計(jì)

2.1 減震方案的選取

考慮到房屋基本周期與場(chǎng)地特征周期較為接近，剛度型的消能支撐會(huì)為結(jié)構(gòu)帶來更多的地震作用，因此本工程選用無靜剛度的粘滯消能支撐。通過粘滯消能支撐附加阻尼作用降低主體結(jié)構(gòu)分擔(dān)的地震作用。

2.2 ETABS分析模型驗(yàn)證

結(jié)合房屋主體結(jié)構(gòu)（ST0）基本信息，建立ETABS分析模型。為驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性，將ETABS模型和PKPM模型計(jì)算所得的質(zhì)量、自振周期進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1、表2、表3，表中誤差的計(jì)算算法為：誤差=( |PKPM-ETABS|/PKPM )×100%

表1 STO模型質(zhì)量對(duì)比

表2 STO模型自振周期對(duì)比表2STO模型自振周期對(duì)比

表3 STO結(jié)構(gòu)小震作用下層間剪力對(duì)比（kN）

由表1、表2和表3可以得出，原結(jié)構(gòu)ETABS模型與PKPM模型在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、計(jì)算周期和樓層剪力等方面差異均較小，故可以認(rèn)為，ETABS模型作為本工程消能減震分析的有限元模型是相對(duì)準(zhǔn)確的，且能較為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的基本特性。

2.3 選取地震波

根據(jù)抗規(guī)要求，本工程在8度（0.3g）下實(shí)際選取了2條天然地震波和1條人工波，見圖2、圖3、圖4。[2]

圖2 人工波1GR1

圖3 天然波1TR1

圖4 天然波2TR2

2.4 減震阻尼器配置方案

本工程采用粘滯消能支撐消能方案。根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)際建筑允許的支撐布置位置，布置粘滯消能支撐。部分消能支撐平面及立面布置圖見圖5、圖6，消能器主要力學(xué)參數(shù)見表4。

圖6 粘滯消能支撐立面布置圖

表4 阻尼墻參數(shù)

圖5 一層消能支撐布置示意圖

3 消能減震效果分析

為描述簡(jiǎn)單，約定：R0為原結(jié)構(gòu)（ST0）樓層層間位移角；R1為減震結(jié)構(gòu)（ST1）樓層層間位移角；Q0為原結(jié)構(gòu)（ST0）樓層層間剪力；Q1為減震結(jié)構(gòu)（ST1）樓層層間剪力。

3.1 小震下R與Q效果分析

在8度(0.3g)小震作用下，對(duì)ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)分別輸入三條地震時(shí)程相關(guān)技術(shù)按結(jié)果見表5和表6，間位移角計(jì)算結(jié)果表明，在8度（0.3g）小震作用下，ST1結(jié)構(gòu)層間位移角滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間位移角限值要求，且明顯小于ST0結(jié)構(gòu)；層間剪力計(jì)算結(jié)果表明，ST1結(jié)構(gòu)各減震樓層在8度（0.30g）小震時(shí)程作用下的層間剪力相比于原結(jié)構(gòu)均有減小，可見消能支撐在多遇地震作用下已承擔(dān)了部分地震作用，起到了較好的減震效果。[3]

表5 8度（0.3g）小震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角計(jì)算對(duì)比結(jié)果（平均值）

表6 8度（0.3g）小震作用下結(jié)構(gòu)層間剪力計(jì)算平均結(jié)果值對(duì)比

3.2 計(jì)算等效阻尼比

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）的第12.3.4條：消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按規(guī)范中的（12.3.4-1）、（12.3.4-2）計(jì)算，規(guī)范法計(jì)算得到的消能支撐小震提供附加等效阻尼比，附加黏滯阻尼器消能支撐小震下可提供X向2.31%和Y向7.28%附加阻尼比?？紤]到消能器性能偏差、連接安裝缺陷等的不利影響，規(guī)范要求在計(jì)算附加阻尼比時(shí)應(yīng)留有一定的安全儲(chǔ)備，因此建筑物在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可取附加阻尼比為2%。

3.3 典型消能器滯回曲線

在結(jié)構(gòu)第1層X向和Y向布置的黏滯阻尼器中，各選取了1個(gè)，以其在8度（0.3g）小震作用下的滯回曲線作為代表，來查驗(yàn)阻尼器的耗能情況，得到的圖像中如果阻尼器在小震作用下的滯回曲線均比較飽滿，則各消能支撐在地震作用下發(fā)揮了應(yīng)有的耗能作用。

4 罕遇地震作用下的消能減震結(jié)構(gòu)彈塑性分析

4.1 罕見地震輸入

本工程選用上面的人工波1、自然波2、自然波3，三條地震波分別對(duì)ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析。對(duì)ST0和ST1結(jié)構(gòu)分別在人工波1、自然波2、自然波地震波下進(jìn)行罕遇地震彈塑性時(shí)程分析。

4.2 輸入地震波得到的結(jié)果

由對(duì)比分析可知，通過增設(shè)消能支撐，較大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷，顯著改善了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。詳情見表7、表8、表9、表10。

表7 X向罕遇地震作用下STO結(jié)構(gòu)層間位移角

表8 Y向罕遇地震作用下STO結(jié)構(gòu)層間位移角

表9 X向罕遇地震作用下ST1結(jié)構(gòu)層間位移角

表10 Y向罕遇地震作用下ST1結(jié)構(gòu)層間位移角

5 結(jié)語

本工程使用ETABS軟件分別對(duì)ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)在8度（0.3g）多遇地震作用下進(jìn)行時(shí)程分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比；采用SAUSAGE軟件對(duì)ST0結(jié)構(gòu)和ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析。具體結(jié)論如下：

（1）在多遇地震作用下，ST1結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)相較于ST0結(jié)構(gòu)已有一定的降低，消能支撐在多遇地震作用下已承擔(dān)了部分地震作用，起到了較好的減震效果。本工程建議小震下消能支撐附加阻尼比為2%。

（2）通過罕遇地震下的對(duì)比分析，增設(shè)消能支撐后，較大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷，顯著改善了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能；ST1結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角明顯小于ST0結(jié)構(gòu)，且滿足1/50的限值要求，滿足“大震不倒”的要求。

（3）所有罕遇地震時(shí)程作用下，框架梁、柱均有塑性鉸出現(xiàn)，且梁鉸先于柱鉸出現(xiàn)，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁的要求。

（4）子結(jié)構(gòu)作為重要構(gòu)件應(yīng)予以加強(qiáng)，建議對(duì)子結(jié)構(gòu)梁、柱全長箍筋加密。同時(shí)，墻式消能支撐對(duì)應(yīng)位置框架梁頂、梁底縱筋應(yīng)通長設(shè)置。

綜合上述分析可知，本工程采用消能支撐后，房屋總體抗震能力相較于原結(jié)構(gòu)有了較大的提升，房屋具有了良好的抗震耗能機(jī)制，提高了結(jié)構(gòu)主體的抗震安全性。