软钢阻尼器在某幼儿园减震设计中的应用

张芳芳,赵振东

(1.山西大同大学,大同 037003;2.大同市建筑设计研究院,大同 037001)

中小学校舍安全直接关系广大师生的生命安全,关系社会和谐稳定。我国《建筑抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)进一步提高了教育建筑设防标准,特别加强对未成年人在地震等突发事件中的保护。教育建筑中,幼儿园、小学、中学的教学用房及学生宿舍和食堂,抗震设防类别应不低于重点设防类。2009年4月1日,国务院决定正式启动全国中小学校舍安全工程,确保将学校建成最安全、家长最放心的地方。山西省是我国地震灾害频度高、强度大、范围广、灾害重的省份之一[1]。全省77%的国土面积属地震高烈度区,全省共有11个地震重点危险区和5个地震值得注意地区,70%的产值与人口来自于强震活动区,100%的建筑需要抗震设防。山西省积极推进建筑工程减隔震技术,对于抗震设防烈度8度区、地震重点危险区学校和幼儿园的新建教学用房、学生宿舍、食堂以及医院的新建医疗建筑,必须采用减隔震技术[2]。近年来,减隔震技术在山西省得到广泛应用,并取得了一定成效。

1 工程概况

山西省某幼儿园综合楼,结构形式为四层钢筋混凝土框架结构,由两道伸缩缝将结构分为三段,取左侧伸缩缝以左部分进行分析。场地抗震设防烈度为8度,基本地震加速度0.20g,设计地震分组为第二组,场地类别为II类,框架抗震等级为一级。建筑结构的安全等级为二级,建筑抗震设防类别为乙类。为增强结构抗震能力,提高建筑物的可靠性和安全性,采用消能减震附加体系,以降低主体结构设计内力,使主体结构能够满足8度区地震的变形要求,提高结构抗震水平。

2 消能减震设计

通过在建筑物的抗侧力体系中设置消能部件或装置,消能减震部件或装置消耗地震能量,起到“保险丝”的作用,有效地保护主体结构在强震中的安全[3],且采用消能减震措施还可以减少或者避免其他传统加固措施对结构正常使用带来的不利影响。软钢阻尼器因其占地面积小,不妨碍建筑功能,且构造简单、减震效果明显,在近年来得到了广泛的应用。阻尼器在小震下进入屈服状态,耗散地震能量,给整体结构提供附加阻尼比,同时也能提供一定的抗侧刚度,进一步降低水平侧向位移,如图1所示。

典型的软钢阻尼器由耗能板、连接板和加劲肋构成,以耗能板的剪切屈服耗能为主,耗能能力饱满,如图2所示。将阻尼器安装在结构中具有相对变形位置上,一般在层间。因其占地面积小,可布置在窗间墙位置,不妨碍建筑功能,典型的连接构造如图3所示。通常,主体结构完成后再安装阻尼器,阻尼器不承担竖向力。

2.1 消能减震设计目标

根据设计需求,该项目需要3%的附加阻尼比。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016版):“消能减震结构的层间弹塑性位移角限值,应符合预期的变形控制要求,宜比非消能减震结构适当减小。”

在该工程采用消能减震设计,在8度小震下层间角应小于抗震规范规定的弹性变形限值,即1/550;在8度大震下层间角小于1/50[3]。阻尼器需具有一定的层间刚度,具备抵抗层间变形的能力;且在小震下进入屈服状态,耗散地震能量,相当于附加给结构一定的阻尼比,进一步降低地震作用,保证8度小震下的变形要求。工程在8度小震作用下,阻尼器进入屈服状态,为结构提供附加抗侧刚度和附加阻尼比,使其满足小震下变形限值;在遭受设防烈度的地震作用时,进入屈服状态;在大震作用下,阻尼器发生更大程度的变形,耗散大量地震能量,控制结构整体变形,减少主体结构的损伤。

2.2 消能减震方案

若在框架跨间、层间布设斜撑式防屈曲支撑,则将影响学校建筑严格的人流交通、采光、通风、紧急通道等方面的功能要求。因此应选用墙式阻尼器,如软钢阻尼器、摩擦型阻尼器和摇摆墙等形式,可有效避开门、窗洞口,布置更加灵活。该工程选用软钢阻尼器,合理选择阻尼器型号,优化阻尼器的布置,以更好的发挥阻尼器的性能,减小主体结构的地震力作用,降低整体结构的地震反应。

阻尼器宜根据需要沿结构主轴方向设置,使结构在两个主轴方向的动力特性相近,形成均匀合理的结构体系,同时避免受扭,应尽量均匀地布置在结构周边,其数量、型号、位置通过时程分析优化调整后确定,在1轴布置1个阻尼器,4轴布置2个阻尼器,C轴布置1个阻尼器,H轴布置2个阻尼器,布置方式见图4。因1轴和2轴间仅有2层,故NBD-1-H×1～2和NBD-1-1×G～H布置于1～2层,其余阻尼器布置于1～3层;3层阻尼器使用摩擦型阻尼器,位置与1～2层阻尼器相同。该工程共采用12个软钢阻尼器和4个摩擦型阻尼器,具体参数见表1。与阻尼器连接的构件及周边构件的截面抗震验算宜符合相应的规定,同时还要按照抗规要求使设计满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”。

表1 阻尼器规格及力学参数

3 结构有限元分析

3.1 分析模型

在相同条件下,采用PKPM结构设计软件建立原钢筋混凝土框架结构的有限元分析模型,采用盈建科结构设计软件分别建立原结构模型和安装软钢阻尼器后结构的有限元分析模型。

通过对框架结构整体预设附加阻尼比及对特殊支撑附加预设刚度后计算,使附加阻尼比及层间位移角收敛至一确定值。根据计算所得附加阻尼比及层间位移角对结构进行配筋及构造设计。最后使用弹塑性分析,验算附加阻尼器的结构在8度大震作用下的层间位移角是否达到规定要求。

在盈建科结构设计软件中,选择使用bouc-wen模型的塑性单元来模拟软钢阻尼器,其弹塑性力-位移关系采用初始刚度、屈服力、屈服后刚度比三个参数进行模拟,为使曲线接近双线性模型,屈服指数取一极大值,力学参数见表1。

3.2 地震波选择

3.2.1 设防和罕遇地震作用下的时程分析

时程分析能精确地反映出整个地震过程中,结构从弹性阶段到弹塑性阶段的内力变化及构件从开裂到结构倒塌的全过程。时程分析法根据结构是否进入弹塑性状态划分为两种[5]:线性时程分析(弹性)、非线性时程分析(弹塑性)。对于减震结构,如果要精确分析消能器的变形耗能能力,就必须对其进行弹塑性地震反应分析。我国抗震规范也规定,对消能减震结构进行设计分析时,一般宜采用静力弹塑性分析或非线性的时程分析法。

3.2.2 地震波选则

按照抗震设计规范,在进行弹塑性时程分析时,应结合该建筑场地类别设计地震分组。选用二组实际强震记录和一组人工模拟加速度时程曲线,地震动记录的相关信息如表2所示,地震动时程如图5所示。

表2 地震记录基本信息

3.3 结果分析

先用PKPM软件建立8度抗震设防的混凝土框架结构模型,再采用盈建科软件建立8度抗震设防的混凝土框架结构和消能减震设计的框架结构模型,施加重力荷载和质量,进行模态分析,取前9阶振型对比,见表3。可见,采用两种结构分析软件建立的结构模型的自振周期非常接近,误差小于10%,则表明采用盈建科软件建立的消能减震结构模型是合理的,可用来进行减震分析。

表3 8度设防下原结构与消能减震结构的自振周期 /S

在8度小震地震力作用下(反应谱峰值 0.07g),X、Y方向的层间位移和层间位移角见表4,两个方向的最大层间角均远小于1/550,满足规范要求。阻尼器在X和Y向分别附加阻尼比为3%和3%。

表4 8度小震作用下结构位移验算

对3条地震波进行弹塑性时程分析,验算罕遇地震下消能减震结构各层层间位移,分析结果如表5所示,均满足1/50层间角的要求。

表5 8度罕遇地震作用下结构位移角验算

以上结果表明,安装消能减震设备后结构可有效降低地震作用。原结构基本满足小震下的抗震性能,但有明显的薄弱层存在,不能满足大震抗震性能。附加阻尼器后,阻尼器在小震下进入屈服较小,附加了3%的附加阻尼比,且可分担部分地震剪力,有效降低主体结构的地震内力和界面尺寸。在大震下阻尼器进入屈服状态,大量耗散地震能量,结构的最大层间位移角1/68满足大震要求的1/50,因此可在大震作用下起到防止结构严重破坏的作用。

4 结 语

山西省某幼儿园综合楼可基本满足小震下的抗震性能,但不满足大震抗震性能,有明显的薄弱层存在。采用软钢阻尼器减震技术后,阻尼器在小震下可有效降低主体结构的地震内力,大震作用下起到防止结构严重破坏的作用。