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基于屈服机制的减震设计研究

2024-06-12 23 上传者：管理员

摘要：消能减震设计可以调整某些结构的屈服机制，提升结构的抗震性能，减震设计方案是进行结构减震设计的关键，研究结构的屈服机制并由此确定结构的减震设计方案十分必要。以河北省某医院住院楼为例，运用非线性静力推覆方法，分析了该结构的构件屈服顺序，判定出了屈服机制和薄弱环节，并由此确定了减震设计方案。对减震结构和非减震结构的抗震性能进行了对比分析，结果表明：基于屈服机制的减震设计方法能快速确定结构消能减震装置的布设位置，使结构屈服机制符合预期；结合基于位移的设计方法，以层间位移角作为控制目标可以确定阻尼器的性能参数。

关键词：
减震设计方案
屈服机制
抗震性能
推覆分析
消能减震装置
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《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010)[1]要求建筑物的抗震设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，传统的抗震设计以结构构件本身的损伤来消耗地震能量，对于一些设防要求较高的结构来说，例如学校、医院和一些高层建筑，由于其受众以及使用功能的特殊性，“硬抗”的设计思路难以保证结构和人员的安全性，特别是在罕遇地震下的安全性。因此，利用消能减震技术控制此类结构地震响应的思想成为新的选择。

进入21世纪以来，有关结构减震设计的标准[2,3,4]陆续出台。《建筑消能减震技术规程》（JGJ297—2013)[5]已对阻尼器的分析模型和相关性能要求、结构体系的选择和地震响应的分析做出了规定。已有学者基于不同设计理念提出了结构减震设计的方法。2005年，刘建彬[6]采用弹塑性时程分析方法，计算了多层框架在地震作用下的动力响应，研究了阻尼器的布置方式和阻尼器与框架的抗侧刚度比对结构抗震性能的影响，基于规范反应谱以及目标位移的抗震思想，简化了多层框架结构的抗震设计方法；2008年，日本隔震结构协会编制的《被动减震结构设计、施工手册》[7]建议利用单自由度体系减震性能曲线进行减震结构设计；2012年，林旭川等[8]以构件重要性程度由小到大逐渐发生损伤破坏的破坏模式为目标，根据现有一般构件的安全储备取值，建议了基于构件重要性指标的安全储备表达式，提出了考虑构件重要程度差异的抗震优化设计方法；2020年，吴宏磊等[9]以性能化减震设计理念为基础，提出了组合消能减震技术在超高层建筑中的应用与设计，并通过某超高层建筑实际工程案例验证了组合消能减震技术的有效性；2021年，毕大博[10]根据实际工程情况，优化了结构的承载力分布，认为可通过控制承载力的分布来进行减震设计；2022年，金振奋等[11]针对某超限结构，通过设置多道防线，使其结构平面及竖向布置规则，分析表明，可通过加厚开洞层楼板、严格控制底部加强区竖向构件轴压比等方法减轻结构的地震响应；同年，李智明等[12]对框架-剪力墙多塔楼结构的弱连接区楼板和穿层柱进行了分析，并提出了对应的超限结构加强措施，为同类工程设计提供了参考；2023年，田启睿[13]为探究高层医院在设防地震下的减震结构设计，以上海市某诊疗中心综合楼项目为例，对关键构件、耗能构件、消能构件子结构等进行了计算分析，结果表明在适当位置设置消能器可加强结构的薄弱部位。

上述方法都是从整体结构出发来评价结构的抗震性能，杜永峰等[14]从构件的安全层次出发，提出了基于传力路径的减震设计方法，通过计算结构的重要性系数得出了消能支撑的布置位置，为减震设计方案的确定开辟了一个新的方法，但依次计算所有构件的重要性系数是一项繁冗的工作。本文采用非线性静力推覆方法，分析构件屈服的先后顺序，以此确定阻尼器的设置方案，并以河北省某医院住院楼为例进行减震设计。

1、工程概况

河北省某医院住院楼为12层钢筋混凝土框架-剪力墙结构，属于重点设防类建筑，底层、2～4层、5～12层层高分别为6.0、4.8、4.2 m，顶层设有屋面层，高度为2.8 m，其抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组。在SAP2000中建立的结构模型如图1所示。图1(a）中楼板LB1厚度为300 mm，其余楼板厚度为120 mm，构件布置不完全对称，结构一侧带有裙房且凸出尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%，剪力墙（JLQ）位置在图1中用加粗线条标出，其布设位置左右对称。1～2层、3～4层、5～6层、7～8层、9层及以上框架柱分别采用C55、C50、C45、C40、C35混凝土，4层以下框架梁采用C40混凝土，4层及以上框架梁采用C35混凝土。框架柱尺寸由下往上逐渐变小，结构的侧移刚度沿竖向有一定的改变。

图1 结构模型 mm

2、减震设计方案

2.1 结构屈服机制分析

在使用SAP2000对结构进行非线性静力推覆分析的过程中，塑性铰的发展会反映到结构主体对荷载的响应上[15]，通过各构件上塑性铰的不同状态反映结构不同阶段的抗震性能。因此，可通过分析推覆过程中各构件上塑性铰的发展顺序以及集中出现位置，进而分析结构的屈服机制，在相对薄弱的环节以及率先屈服的关键位置设置消能装置，让预期塑性铰出现在梁端，形成梁铰屈服机制或可控状态下的混合屈服机制。

首先完成框架梁、柱的塑性铰定义，然后对结构整体进行Pushover分析。由于主楼与裙房连接区域上、下楼层刚度有突变，故以②轴的推覆过程为例进行分析。②轴框架如图2所示。

图2②轴框架mm

②轴框架塑性铰的发展大致分为4个过程。2～3层刚度有突变，主楼框架的塑性铰率先出现在轴3层柱底，与之相连的框架梁端和裙房的柱顶也出现塑性铰（图3(a））；随着荷载增加，主楼与裙房的连接处柱端依次出现塑性铰，轴塑性铰向上先发展到层高变化的5层柱底（图3(b））；之后逐渐向上扩展至10层框架柱两端，3、4层框架柱内力进一步增大，同时随着轴裙房框架柱的屈服，跨框架梁、柱也开始屈服（图3(c））；随着推覆过程的进行，轴较高层的框架柱内力逐渐增大，与之相连的跨框架梁端也出现塑性铰，与此同时塑性铰逐步发展至跨和跨（图3(d）），发展过程与跨一致。图3中：B表示屈服状态，IO表示直接居住状态，LS表示使用安全状态，CP表示防止坍塌状态，C、D表示极限状态，E表示坍塌状态[16]。

图3②轴框架塑性铰出现顺序

从整个推覆过程来看，塑性铰首先出现在主楼与裙房连接位置的框架柱处，显然这是结构的薄弱位置，塑性铰由此处向周边延伸发展。整体结构的塑性铰包络图如图4所示。由图4可以发现：框架呈现“层屈服”的破坏模式，与设计目标不符，需要在结构屈服的薄弱位置布设阻尼器来改变结构的屈服机制。

图4 整体结构的塑性铰包络图

2.2 阻尼器布设位置确定

消能减震装置应尽量均匀对称地布置在每层结构平面上，使结构在2个主轴方向的动力特性相近，在立面布置上还应尽量自上而下连续布置消能减震装置，避免产生过大的应力集中或塑性变形，保证结构沿竖向和水平方向刚度分布均匀。需要特别注意的是，隔层或隔跨布置消能减震装置可能增加个别楼层的抗侧刚度，需要控制消能减震装置的具体参数，防止出现新的薄弱层。

对于该结构，在边缘转角以及部分截面转换处已经布置了剪力墙，减小了应力集中，这些位置不需要再布设阻尼器。根据塑性铰包络图确定阻尼器的布设位置，1、2层阻尼器的布置如图5(a）所示（裙房仅在2层布设阻尼器），3～10层阻尼器的布置如图5(b）所示。图5中画圈位置即为阻尼器布设位置。然后重新对结构进行推覆分析，依然以②轴框架为例，减震结构的塑性铰包络图如图6所示。由图6可以看出：布设阻尼器后，塑性铰数量大大减少，而且除与裙房连接位置的框架柱以及底层柱外，其余框架柱没有屈服，呈现梁铰屈服的特点，说明阻尼器起到了改变结构屈服机制、保护主体结构的作用。

图5 阻尼器平面布置

2.3 阻尼器种类及性能参数

该结构选用位移相关型的金属复合型阻尼器，该阻尼器既能为结构提供附加阻尼，同时也能为结构提供附加刚度，可有效控制结构位移。阻尼器与结构采用墙式连接方式，可以更直接地反映地震作用下结构各参数指标的变化趋势。金属复合型阻尼器连接构造如图7所示。

图6 减震结构的塑性铰包络图

图7 金属复合型阻尼器连接构造mm

取罕遇地震下结构目标层间位移角为1/120，参照基于位移设计思想的阻尼器设计方法[17]，计算结构所需阻尼器的具体参数。计算结果和各楼层分配数量见表1、2。

表1 阻尼器参数

表2 阻尼器分配

3、减震效果验证

3.1 非减震结构地震响应分析

选取5条实际强震记录（TR1～TR5）和2条人工模拟加速度时程（RG1、RG2），其加速度时程曲线如图8所示，地震波反应谱与规范反应谱的曲线对比如图9所示。在结构主要振型对应的周期点上，多组时程波的平均地震影响系数与振型分解反应谱法所用的地震影响系数相差小于20%，符合规范要求。

非减震结构动力时程分析结果如图10所示。由图10可知：大部分楼层的层间位移角均不满足规范要求；多遇地震下，X向最大层间位移角为0.002 79,Y向最大层间位移角为0.002 09，均超过规范规定的0.001 25；罕遇地震下，X向最大层间位移角为0.017 50,Y向最大层间位移角为0.015 80，均超过规范规定的0.010 00。此外，在罕遇地震下，结构层间位移角在中间4～6层层高转换处有突变，整体结构层间剪力变化范围较大，反映到结构上为这些楼层之间的地震力有很大突变。

图8 地震波加速度时程曲线

图9 地震波反应谱与规范反应谱的曲线对比

3.2 减震结构地震响应分析

分别输入上述7条地震波，计算地震响应的平均值，如图11所示。由图11可以发现：在多遇地震和罕遇地震作用下，减震结构的层间位移角和层间剪力均较非减震结构有所减小，满足规范相应要求，且沿楼层均匀变化。层间剪力的平均减震率为33.27%，因剪力被消能减震装置分散，结构主体构件得到了有效保护。

图1 0 非减震结构动力时程分析结果

图1 1 减震前后抗震性能对比

4、结论

本文从结构的非线性静力推覆分析出发，基于调整结构屈服破坏机制的思路对某医院住院楼进行了减震设计，结合动力时程分析得出了以下结论：

1）基于屈服机制的结构减震设计方法，能够快速确定结构消能减震装置的布设位置，使结构体系呈现符合预期的屈服破坏机制，能够简洁有效地实现结构的减震设计。

2）遵循均匀、分散、对称的阻尼器布置原则，可减小结构因阻尼器布设位置不同而产生的不利影响。

3）按基于位移的设计方法，以层间位移角作为控制目标计算确定阻尼器的性能需求，通过SAP2000软件计算从而结构地震响应来分析验证减震效果，可以不断优化阻尼器的参数选择，直至达到预期设计目标。

参考文献: