摘要：提高建筑物消能减震设计水平，对广大人民群众的财产和生命安全具有重要意义。文章结合工程实例，对建筑结构的消能减震设计进行了分析，并依据建筑使用功能和抗震要求，进行了减震性能的测试，为类似综合楼的减震设计提供了理论依据。
关键词：消能减震；金属剪切阻尼器；SAP2000软件
地震是所有自然灾害中给人类社会造成损失最大的地质灾害之一。最近几年，我国地震给人们的生活和安全造成了严重的灾害和损失，房屋等建筑设施在地震的作用下显得非常的脆弱。因此建筑消能减震是建筑结构设计的重中之重。基于此，本研究采用反应谱法和时程分析法，对比分析地震作用下减震与非减震结构的响应，以期为工程减震设计提供理论依据。
1 工程概况
本工程建筑用途为学校办公综合楼，采用钢筋混凝土框架结构体系，总建筑面积为5730.14m2。建筑标准层平面图如图1所示。通过设置结构缝，综合楼分为左、中、右三个单体。本文选取综合楼右侧的单体进行减震分析研究，右侧单体地上结构3层（局部4层）。
图1 建筑标准层平面图
本工程位于8度（0.30g）抗震设防区，设计地震分组第二组，场地类别Ⅱ类；框架抗震等级一级。
2 确定减震器的布置与参数
结合学校综合楼特点，减震设计要求为：在多遇地震作用下，其建筑结构须完全保持弹性，且非结构构件无明显损坏；在罕遇地震作用下，其消能减震器系统功能仍能正常发挥。本工程减震设计采用金属阻尼器作为消能减震部件。一方面，为结构提供足够的刚度，通过消能减震器分担地震作用；另一方面，为结构提供一定的附加阻尼比，进一步降低输入结构的地震作用。虽然减震器投资较大，但是增强了结构安全性，提升了建筑抗震能力，改善了建筑使用环境，对本工程有着重大意义；同时消能减震器的设置也使结构的钢筋及混凝土的用量相应减少，降低了主体结构部分的造价。设计提出附加阻尼比为3%。
根据建筑平面，减震器的布置遵循“均匀、分散、对称”的原则，结合类似工程的经验，最终确定减震器布置在结构的1～3层，具体位置如图2所示。金属阻尼器的参数和数量，见表1。
表1 金属阻尼器（SD）性能规格
图2 阻尼器平面布置图
3 模型对比
本工程是钢筋混凝土框架结构，使用SAP2000软件建立结构模型，并进行计算与分析。SAP2000软件具有方便灵活的建模、模拟功能和强大的线性和非线性动力分析功能。此模型根据盈建科（以下简称：YJK）模型得到，如图3所示。
图3 SAP2000分析模型
为了校核所建立的结构模型的准确性，将SAP和YJK建立的非减震结构模型计算得到的质量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力、层间位移及层间位移角进行对比，如表2所示。
表2 结构质量对比
表中差值为：（|SAP2000－YJK|/YJK）×100%。综合以上各表可知，用于本工程减震分析计算的SAP2000模型与YJK模型，在结构质量、周期（表3）和各层剪力方面的差异很小，因此，两模型基本上是一致的。
4 地震波的选取
根据GB50011－2010《建筑抗震设计规范》5.1.2条规定，根据本工程建筑场地类别和设计地震分组的情况，研究选取了实际2条强震记录和1条人工模拟时程曲线。三条地震波的加速度时程曲线如图4所示，加速度反应谱曲线如图5所示。
采用SAP2000弹性时程分析与YJK 软件反应谱分析得到的建筑底部剪力见表4。从表5看出，弹性时程分析时，时程曲线计算所得结构底部剪力最小值为振型分解反应谱法计算结果的93%，时程曲线计算所得结构底部剪力最大值为振型分解反应谱法计算结果的108%，满足规范要求，计算选择的地震波合理。
表4 结构地震剪力对比
5 弹塑性时程分析
采用SAP2000进行模型的弹塑性时程分析。使用连接单元Plastic（Wen）模拟金属阻尼器。
5.1 弹性分析时程分析
采用SAP2000，进行模型的弹性时程分析。使用连接单元Plastic（Wen）模拟金属阻尼器。根据规范对所选地震波进行调幅，调幅后的峰值加速度为110cm/s2。
计算得到模型的层间位移角如图6所示。从图6可以看出，在小震作用下，模型的最大层间位移角均小于1/550，满足GB50011－2010《建筑抗震设计规范》的要求。
从表6看出，金属减震器对结构的附加阻尼比最小为3.64%（X向）和4.65%（Y向），满足预期要求。
5.2 结构弹塑性时程分析
借助SAP2000软件非线性动力分析功能，进行模型在大震下的弹塑性分析。分析时，主体结构框架梁、柱均定义塑性铰。弹塑性时程分析过程中，根据规范对所选地震波进行调幅，调幅后的峰值加速度为510cm/s2。选取弹性时程分析中的三条地震波进行大震分析，采用单向地震输入，分析结果取包络值。
5.2.1 层间位移角与层间剪力计算结果
表7与表8给出了大震作用下结构的层间位移角情况。从表7与表8可以看出，结构层间位移为：X向最大为1/143，Y向为1/135，满足《建筑抗震设计规范》的要求。
表7 大震下结构层间位移角汇总
5.2.2 主体结构出铰情况
根据《建筑抗震设计规范》，为了保证“大震不倒”，结构在地震作用下必须具有合理的耗能机制，允许结构在大震作用下部分构件进入塑性，结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。限于篇幅，本文仅仅给出了结构在548号波X向单向输入时，不同时间时刻结构构件出铰情况，如图7所示。从图7看出，大震作用下构件开始进入塑性，框架梁优先出现梁铰，而后柱子出现柱铰，结构总体满足“强柱弱梁”的要求。
图7 主体结构出铰情况
5.2.3 金属阻尼器耗能计算结果
金属阻尼器的出力可以通过耗能滞回曲线得以体现。研究选取两个典型的金属阻尼器，输出阻尼器的滞回曲线如图8所示。从图8可以看出，在大震作用下，金属阻尼器滞回曲线饱满，这表明金属阻尼器进入塑性滞回耗能，发挥了良好的耗能能力。
图8 阻尼器的滞回曲线
6 结语
综上所述，提升建筑结构的消能减震设计水平是保障建筑工程设计施工的关键环节。通过对本工程结构的整体模型进行弹性和弹塑性时程分析，采用不同地震波分析了结构在X向单向和Y向单向地震输入时结构抗震性能，得到如下结论：小震作用下，结构主体弹性，金属阻尼器由于小震下贡献结构附加阻尼比，结构的附加阻尼比大于3%，满足设计提出的要求；大震作用下，结构的构件开始进入塑性，框架梁优先出现梁铰，而后柱子出现柱铰，结构总体满足“强柱弱梁”的要求。结构层间位移角为：X向最大为1/143，Y向为1/135，满足规范要求；大震作用下，金属阻尼器进入塑性滞回耗能，为主体结构安全提供了保证。相信随着我国国民经济水平的不断提高以及建筑抗震技术的不断进步，消能减震技术会越来越多的运用在新建筑的设计施工以及现有建筑的抗震性能加固改造中，保障建筑的安全稳定性。
参考文献
[1]彭陆.浅析建筑结构的消能减震设计[J].工程技术：全文版：00050-00052.
[2]李方河，牛斌.建筑结构中消能减震关键设计技术探讨[C].河南省土木建筑学会.2009年学术年会论文集. 2009.
论文作者:葛国庆
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/4
标签：结构论文; 建筑论文; 塑性论文; 模型论文; 地震波论文; 位移论文; 减震器论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;