高层建筑中隔震与防屈曲耗能支撑技术适用性相关问题探讨

陈凌蔚

(福建建工集团总公司　福建福州　350000)



高层建筑中隔震与防屈曲耗能支撑技术适用性相关问题探讨

陈凌蔚

(福建建工集团总公司福建福州350000)

在同一栋框架剪力墙建筑上分别采用防屈曲支撑体系和基础隔震体系，对比研究了这两种体系对框架剪力墙结构上的基底剪力与最大加速度减震能力，最后综合两种结构体系的减震能力、结构特点、施工效率、经济指标等，归纳出两种体系的特点及适用范围。

基础隔震体系；防屈曲耗能支撑体系；耗能减震；经济指标

0　引言

在同一座框架剪力墙结构上分别设置基础隔震体系和防屈曲支撑体系[1]。本文首先介绍了基础隔震体系设计，计算了其水平向减震系数;其次介绍了防屈曲支撑结构的设计过程；然后，找出两种结构在设计过程中的各自特点。接着，结合工程实例，通过Etabs有限元分析软件建立3种不同的结构模型，对两种不同体系进行地震反应和经济指标详细分析。

1　工程概况

本项目为一中学宿舍，位于福建省福州市闽侯县甘蔗镇，为一座18层钢筋混凝土框架剪力墙结构。每层层高3m，建筑总高度54m，高宽比为3.75，建筑物平面布置图如图1所示。抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g。设计地震分组第二组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4s。用Etabs软件对其进行建模，平面布置图如图1所示，梁柱截面尺寸如表1。

图1　工程算例平面布置图表1　结构梁柱截面尺寸

楼层构件剪力墙(mm)柱(mm)主梁1(mm)主梁2(mm)13～18层200550×550500×250450×2007～12层250600×550550×250500×2001～6层250600×600600×300500×250

2　基础隔震体系设计

通过计算，初步确定支座的直径为φ600、φ800两种。由于该楼较高，风荷载作用下隔震层受到的层间剪力较大，为了满足隔震层的抗风要求，隔震层角部和周边隔震支座全部选用铅芯橡胶隔震支座同时使隔震层具有一定的抗扭刚度 ，隔震层周边和角部的隔震支座选用较大的隔震支座[2～4]。布置28个LNR600、16个LRB800，总计44个隔震支座。隔震层平面简图见图2。

图2　隔震层平面简图

3　隔震结构水平向减震系数

《抗震设计规范2010版》12.2.5条2款规定：水平向减震系数，对于多层建筑，为按弹性计算所得的隔震和非隔震各层层间剪力的最大比值。对于高层建筑结构，尚应计算隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值，并与层间剪力的最大比值相比较，取二者的较大值，该系数反映了隔震结构的减震效果。

经Etabs软件计算本结构隔震与非隔震各层倾覆力矩的最大比值为0.37。本结构的X向层间剪力及层间剪力比见表2。

表2　结构X向层间剪力及层间剪力比

从表 2可以看出，时程分析计算出的隔震结构与抗震结构的最大层间剪力比分别为 0.39。即水平向减震系数为0.39，满足《抗震规范2010版》12.2.5条7度上部结构降1度设计的要求。

4　防屈曲支撑体系设计

防屈曲支撑的布置原则和普通支撑的布置原则类似，在平面上，尽量使结构的质量中心和刚度中心重合，在立面上，应避免因局部的刚度削弱形成薄弱层，造成应力集中。对于建筑物建议弹性分析时防屈曲耗能支撑所承受的层剪力 和层间总剪力满足，对于框架结构 宜取0.4～0.6。本结构为框架剪力墙结构，可以适当地减小， 取0.3～0.6。通过计算，初步确定防屈曲支撑面积分别为1～6层：2 940mm ，7～12层：2 440mm ，13～18层：1 960mm 。防屈曲支撑布置立面图、三维立体图如图3、图4所示。

图3　工程算例立面图

图4　工程算例空间三维立体图

5　隔震结构、防屈曲支撑结构地震反应对比

防屈曲耗能支撑具有较强的非线性，所以本节选用时程分析法对原结构、防屈曲支撑结构、隔震结构的性能作对比分析。

5.1加速度反应分析

列原结构、基础隔震结构、防屈曲耗能支撑结构在3种波下的加速度峰值如表3～表5 所示。

表3　El centro波下两种结构顶层加速度峰值及减震率比较

表4　Taft波下两种结构顶层加速度峰值及减震率比较

表5　人工波下两种结构顶层加速度峰值及减震率比较

结果表明，在小震作用下，隔震结构对比原结构，加速度反应峰值最大减小了45.05%；而在大震作用下，相比原结构，加速度反应峰值最大减小了76.30%。

小震作用下，防屈曲支撑结构相比原结构的顶层加速度稍有减小，最大减小幅度为8.00%；而在大震作用下，相比原结构，防屈曲支撑结构的加速度反应峰值最大减小了19.19%，可见防屈曲耗能支撑体系在大震作用下的耗散能量有所增加。而防屈曲支撑体系与隔震体系对比，无论在小震还是大震的作用下，对顶层加速度峰值的减震效果都不显著。

5.2基底剪力分析

列原结构、隔震结构、防屈曲耗能支撑结构在3种波下的的基底剪力值如表6～表8所示。

表6　El centro波下两种结构基底剪力及减震率比较

表7　Taft波下两种结构基底剪力及减震率比较

表8　人工波下两种结构基底剪力及减震率比较

小震作用下，防屈曲耗能支撑体系的基底剪力稍有增大，最大增大幅度为6.37%。在小震下防屈曲支撑不进入耗能状态，由于没有塑性变形，所以只能提供刚度不提供阻尼，相当于结构只加入一个附加侧向支撑。结构加入附加侧向支撑后，建筑物的刚度增大，自振周期变小。而在地震反应谱曲线中，对于长周期的建筑，周期减小对应的地震影响系数增大，所以地震反应增大；而刚度变大，楼层层间位移减小，耗散能量也就变小。所以小震下，防屈曲支撑结构基底剪力有所增大是合理的。

在大震作用下，相比原结构，防屈曲耗能支撑体系通过耗散地震能量，使得其结构的基底剪力最大减少了27.42%，可见防屈曲耗能支撑体系在大震作用下的耗散能量有所增加。但是无论在小震还是大震的作用下，对基底剪力的减震效果都没有减震体系的减震效果显著。

6　原结构、隔震结构、防屈曲支撑结构的经济指标对比分析

6.1直接经济效益

根据实际工程经验及晨曦造价软件的分析，隔震层增加的费用总共为161万元。其中包括：(1)44个隔震支座；(2)预埋件；(3)临时支撑。其中临时支撑非常重要，施工中规定隔震支座的平面位置与设计位置的偏差不大于5mm，单个支座的倾斜度不大于1/300，所以施工期间必须设置临时支撑的主要作用是防止隔震层发生水平位移，待主体竣工后应予拆除。

对于防屈曲支撑结构，增加的费用主要是由防屈曲支撑本身造成的，与主体结构采用螺栓连接，并且一同施工，施工的增加费用可以忽略不计。使用国产防屈曲支撑，单根价格为9 000元/根，共144根。总计129.6万元。对比两种结构，土建造价相差161万元-129.6万元=31.4万元。可见防屈曲支撑结构稍低于隔震结构。

6.2间接经济效益

以上介绍了结构的直接经济效益，但在实际工程中，工期的长短、后期的维护等都会对工程的间接经济效益造成影响。

6.2.1工期

(1)隔震结构

隔震建筑需要设置隔震层空间，基础底面深度比一般建筑物更深。开挖和护坡工程施工时间都会有所增加。隔震层施工结束后，才可进行上部施工，所以隔震层施工在整个工程施工流程中相当于串联施工。根据建筑规模、隔震构建的种类和位置的差距，为0.5个月～1.5个月，相当于整个工期的0.5%～5%。根据本工程的规模，大概增加工期40d。

(2)防屈曲支撑结构

防屈曲支撑的安装方法分为平行安装法和后安装法。平行安装法是按一般施工顺序，与主体结构同步施工；为了节约工期，选用平行法安装。若选取平行法安装，则防屈曲支撑的施工在整个工程施工流程中相当于并联施工，不会影响施工进度，不会造成工期的增加。

6.2.2后期维护

(1)隔震结构

虽然任何类型的建筑都要进行维护，对隔震结构的维护，要格外的重视。其中需要注意的方面有：

①大震时产生隔震层会产生较大的相对水平位移，为了保证其性能的发挥，隔震物及其周围，如果存在妨碍变形的物体、或对隔震构件产生损伤影响承载力、或超过预期的老化。这些都将使隔震性能不能充分地发挥，安全性降低。

②隔震层的设备管线相应的变形能力不够，会产生断裂、所以维护管理费用高，管理比较繁杂。

(2)防屈曲支撑结构

防屈曲支撑是一种即坏即换的构件，原则上可以不进行不定期检查，只需在建筑结构遭到破坏后，进行更换，可大大节约维护费。相比隔震结构，安装防屈曲支撑消耗地震能量、保证主体结构安全, 同时可以节省很大的后期维护费。

7　结论

对原结构、基础隔震结构、防屈曲支撑结构地震反应进行对比分析，并综合3种结构得出以下结论：

(1)在框架剪力墙结构上，通过在建筑物的上部结构底部与基础之间设置柔性隔震层。当地震发生时，隔震体系会产生水平位移和变形从而吸收大量的地震能量，降低地震反应。无论大震还是小震的作用下，隔震结构的耗能减震效果都比防屈曲支撑结构好。

(2)在框架剪力墙结构上，防屈曲耗能支撑体系具有一定的耗能能力。小震下，防屈曲支撑不进入耗能状态，只能提供刚度不提供阻尼，相当于结构只加入一个附加侧向支撑。大震作用下，防屈曲支撑体系在主体结构未进入非弹性阶段率先耗散能量, 发挥阻尼减震作用，开始耗能。

(3)相比于隔震体系，虽然防屈曲耗能支撑体系的耗能减震能力有限，但防屈曲支撑安装方便且经济，可以和主体结构一同施工，大大地提高了施工速度，施工工期短；现场噪音、振动小；防屈曲耗能支撑如果在大震中有破损，更换也非常简单，后期维护费用低。

[1]周福霖．工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[2]张文芳,靳金平,崔路苗.工程结构消能减震控制的研究与应用[J].工程抗震与加固改造,2005,27:70-75.

[3]叶正强,李爱群,程文襄.采用粘滞流体阻尼器的工程结构减振设计研究[J].建筑结构学报,2001,22(4):61-66.

[4]林新阳,周福霖.消能减震的基本原理和实际应用[J].世界地震工程,2002,18(3):48-51.

The Research on the Related Issues for the Adaptability of Base-Isolated Technology and Buckling-Restrained Brace Technology in High-Rise Buildings

CHEN Lingwei

(Fujian Construction Engineering Group Corporation, Fuzhou 350000)

Based on the background of high-rise building, this article aims at the base-isolated technology and the buckling-restrained braces technology.Finally researches their respective technical characteristics, economic indicators, construction schedule, scope of application and other related problems.This thesis has the following several part:Buckling-restrained braces system and base-isolated system were respectively used on the same building of frame shear structure. Comparing the damping performance of two systems on the frame shear , synthesizes damping capacity, structure features, the construction efficiency, and the economic indicators of two structure systems,and finally sums up the characteristics of two structure system and the applicable building type.

Base-isolated system; Buckling-restrained braces system; Energy dissipation and seismic mitigation economic indicator

陈凌蔚( 1980.8-)，男，工程师。

E-mail:6441903@qq.com

2016-05-11

TU9873+.2

A

1004-6135(2016)08-0061-04