浅议土木工程结构设计中消能减震技术的应用论文_李彦科

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摘要:建筑的抗震设计是一项复杂且精细的工程,其设计质量的好坏对社会稳定以及人们生命财产安全有直接影响。本文以甘肃某工程为例,通过对采用消能减震措施后指标的对比分析,说明消能减震技术在抗震设计中的必要性。

关键词:土木工程;结构设计;抗震设计;消能减震;

引言:消能减震技术指在房屋结构关键部位设置消能器,通过消能器的相对变形和相对速度提供附加阻尼,以消耗输入结构的地震能量,达到预期防震减震的要求。

1、高地震烈度区高层住宅采用消能减震措施的必要性

1)对于高抗震烈度地区的高层剪力墙结构设计,尤其对于抗震烈度达8度(0.30g)的地区,为满足结构抗震设计指标的要求,剪力墙的布置密度非常大。现今房地产开发多采用标准化精工户型,户型的布局一旦确定,几乎很难调整。这种情况下进行结构设计存在很大困难,为达到规范要求的设计指标,需硬性增加抗侧力构件、增大构件截面、配筋。其成本是不易控制的。

2)以甘肃某工程为例,通过对同一户型消能减震结构分析 YJK模型和常规抗震设计结构分析模型比较分析,可发现在常规的结构分析模型中,为满足设计要求地下室和上部结构不得不使用250-300mm厚的剪力墙。而消能减震结构分析模型剪力墙厚度基本为200mm,与普通的填充墙墙厚一致。

3)对于高抗震烈度地区项目类似的联肢剪力墙结构,由于地震力较大,很多连梁会出现超筋不满足规范要求,导致连梁用钢量增加很多。绑扎复杂,造成施工进度的减慢。而消能减震装置全部设置在内力较大的连梁位置,阻尼器安装位置的连梁全部统一配筋,施工安装方便、快捷,巧妙的避开连梁施工中的弊端,对工期和施工质量上都有有利的影响。

4)传统结构抗震设计,连梁对于剪力墙结构来说,主要是作为耗能构件。当地震发生时,连梁肯定先于剪力墙破坏,通过塑性变形来消耗地震能量。但如果真的发生中震以上地震的时候,大量的工程震害实例和抗震实验都显示,连梁的破坏非常严重,且小跨高比连梁的剪切破坏实际无法达到预期的耗能目的。连梁的混凝土基本被剪碎,钢筋都已经屈服。虽然竖向构件仍可以达到使用要求,但是要修复连梁的施工工艺,施工难度和维修成本相当高,几乎无法实现。而消能减震装置,如铅粘弹性连梁阻尼器的使用,可在地震发生时通过核心组件来耗能,实现地震发生时对混凝土结构的有效保护,达到屈服机制可控的目标。同时,铅粘弹性连梁阻尼器震后无需更换,功能可自恢复,低碳环保,不产生建筑垃圾。对高抗震烈度地区高层项目,铅粘弹性连梁阻尼器在实际工程中是一种很好的连梁替换方案。

2、消能减震技术实施方案

2.1铅粘弹性连梁阻尼器介绍

由复合黏弹性层、剪切钢板、约束钢板、铅芯等通过高温高压硫化成型,该产品为某大学研发的新型耗能减震装置(见图一)。性能特点如下:构造简单,机理明确。具有明确的耗能减震机理;小位移即耗能,变形能力强,延性系数大;功能自恢复,无需更换。在设计变形范围内可恢复原有形状。

图1铅粘弹性连梁阻尼器示意图

2.2 YJ215户型减震布置方案(下图2)

图1. 标准层连梁阻尼器平面布置

3、经济性对比结论

通过对本项目采用传统抗震技术和消能减震技术的综合对比,消能减震装置的使用,工程变化如下:

含钢量减少13.79%,混凝土用量减少9.29%,模板量减少0.30m2/m2,此数据为结构计算模型直接统计的结果,若按照实际施工图的算量统计,结果大于模型统计量。

注:

采用减震措施后,主体剪力墙厚度减小,能够使实际的有效使用面积净增0.5%~1%,若考虑将增加的有效面积折合成本,减震带来的总体经济性超过100元/m2

本项目共采用120套粘弹性连梁阻尼器,新型铅粘弹性连梁阻尼器平均单价按照5000元/套计算,综合对比,本项目扣除减震阻尼器的成本后综合土建成本仍会降低(降低幅度30元/m2以上)。

4、技术配合流程及工期影响分析

4.1设计配合

4.1.1等效线性化模型的设置

在原YJK模型上布置减震构件、修改阻尼比参数(附加2%阻尼比);然后进行构件优化,指标调整符合规范要求后即可进行施工图绘制。此步骤需1-2天时间即可完成。

4.1.2消能减震时程分析

在等效线性化模型基础上进行,包含多遇地震分析和罕遇地震弹塑性分析,需10天时间,该过程与第一步设计单位施工图绘制同步进行。不影响设计进度。

4.2施工安装

在安装前要技术交底;阻尼器及配件要提前一星期运抵项目现场;阻尼器现场组装每批次产品现场组装预埋件需一天时间;阻尼器吊装安装、精度要控制,如同主体施工模板支护、钢筋绑扎工序同步穿插进行,对主体施工无任何影响,且由于连梁部分施工由专业公司完成,施工进度较传统施工更快。随着主体结构施工进度的完成,项目封顶即可安装完毕。

结束语

在地震设防8度及以上高烈度地区,由于结构设计时地震作用较大,若一味地通过提高结构体系的刚度及承载力来满足高烈度设防要求,在成本上升的同时,往往仍无法满足抗震规范的一些细节、局部要求。运用消能减震措施,会比传统技术有更好的防震减震效果,对于小震、中震后房屋结构的正常使用,大震时保障人民生命安全,具有重大意义。

参考文献

[1]王忠伟.关于土木工程结构设计安全性与经济性的探讨[J].华章,2013

[2]张婧娴.土木工程结构设计中的抗震浅述[J].商品与质量,2016

[3]刘越超.探讨土木工程结构设计中的抗震研究[J].商品与质量,2016

论文作者:李彦科

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第8期

论文发表时间:2018/8/6

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