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某高层钢框架结构组合减震设计

2024-09-03 92 上传者：管理员

摘要：某转化医学中心位于高烈度设防地区、地震重点监视防御区，从减震效果和经济性等方面对不同减震方案进行比选后，选用BRB+VFD组合减震方案，同时提出了阻尼器布置原则。采用有限元法进行弹性和弹塑性时程分析，结果表明BRB+VFD组合减震方案可为主体结构提供一定的附加刚度和附加阻尼比，降低地震作用下基底剪力，延缓主体结构破坏，满足主体结构第二道防线设计要求；VFD在多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下均发挥耗能作用；BRB在多遇地震作用下仅提供刚度，在设防地震和罕遇地震作用下进入屈服耗能，提高了结构抗震性能；随着地震烈度的增加，结构附加阻尼比随之增大，有效保证了结构抗震性能。

关键词：
屈曲约束支撑
组合减震
钢框架
附加阻尼比
黏滞阻尼器
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近年来地震灾害频发，2021年5月21日云南大理州漾濞县5.6级地震[1]、2021年5月22日青海省果洛州玛多县7.4级地震[2]、2023年12月19日甘肃临夏州积石山县6.2级地震[3]、2024年1月1日本能登半岛7.4级地震、2024年1月3日福建漳州市华安县3.5级地震及2024年1月4日斐济群岛5.7级地震等均造成较大的人员伤亡和财产损失。同时，采用减隔震技术的建筑经受住了地震考验，基本保证震后不中断使用功能，表现出良好的抗震性能[4]。组合减震技术[5-6]是减隔震技术的一种新型应用形式，根据结构的变形特点以及结构抗震性能化设计要求，合理组合应用多种减震装置，充分发挥各种减震装置耗能效果，减小地震作用，改善结构的抗震性能[7]。

组合减震技术目前已有部分应用，并取得了良好的抗震效果，比如上海博物馆东馆[8]、渭南市中心西片区档案馆[9]、某医院病房大楼[10]等，还有其他项目也应用到组合减震技术[11-13]。但组合形式和结构体系应用均有一定局限性[14]。

本文以高烈度设防地区某转化医学中心钢框架为例，从减震效果和经济性进行比选，提出组合减震方案，并验证了其有效性。

1、工程概况

转化医学中心位于北京市海淀区复兴路，总建筑面积约8.4万m2,其中地上约5.2万m2,地下约3.2万m2。地上11层，地下室5层，建筑高度为55.50m。平面呈“L”形，在立面上存在体型的收进，建筑平面尺寸为73.5 m×80.4m,主要轴网尺寸为9m×9m,地上未设置防震缝。建筑效果如图1所示。

图1建筑效果图

地上1～5层为医院门(急)诊，6～11层为以研发为主的转化医学大设施。根据《建设工程抗震管理条例》(国令744号)第十六条规定，转化医学中心需采用隔震或减震技术。经过方案对比，地上结构采用钢框架减震结构，地下结构为钢筋混凝土结构。结构主要设计参数见表1。采用YJK软件以及ETABS软件进行计算分析，分析方法及分析内容见表2。地上部分三维计算模型见图2。

表1主要设计参数

表2计算软件分析方法及分析内容

2、消能减震设计

2.1消能减震目标

转化医学中心1～5层为地震时正常使用I类建筑，消能减震目标见表3;6～11层为一般建筑，满足多遇地震抗震要求即可。

图2结构地上部分三维计算模型

表3减震结构性能目标

2.2阻尼器的选择

消能减震考虑传统抗震、屈曲约束支撑(BRB)减震、黏滞阻尼器(VFD)减震、BRB+VFD组合减震等4种方案，在设防地震作用下进行比选，结果见表4。经比选，结论如下：1)采用BRB减震，有一定减震效果但不十分显著；2)采用VFD减震，附加阻尼比最大，相较于传统抗震周期变长、刚度变小，地震作用显著减小；3)BRB+VFD组合减震结构周期介于VFD减震和BRB减震结构、传统抗震结构之间，BRB+VFD组合减震结构附加阻尼比也比VFD减震结构小，地震作用介于传统抗震结构与VFD减震结构之间；4)单纯的VFD减震结构较BRB+VFD组合减震结构存在布置数量较多、钢柱截面较大导致的经济性差的问题。BRB+VFD组合减震结构相较于传统抗震结构钢材用量减少，虽然多出阻尼器的费用，但综合比较，整体结构的经济性仍优于抗震结构，故采用BRB+VFD组合减震方案。

2.3阻尼器的平面布置

阻尼器布置的原则及布置方案如下：

(1)根据需要沿结构主轴方向设置阻尼器，宜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。

表4设防地震作用下减震方案对比

图3 2层结构位移图/mm

图4 8层结构速度图/(mm/s)

图5典型楼层阻尼器布置图

(2)结合楼层刚度布置，阻尼器设置在相对变形或速度较大的位置。其中，BRB+VRD组合减震结构在1～5层采用BRB,6～11层采用BRB+VFD。较低楼层的BRB在设防地震下既能提供刚度、控制位移角和位移比，也可提供附加阻尼以减小地震作用。较高楼层的VFD通过吸收地震能量，达到减小主体构件损伤的目标。在未设置阻尼器情况下，X向及Y向地震作用下2层结构位移及8层结构的时程速度分别如图3、4所示，图中所示响应较大的区域，为适宜布置相关阻尼器类型的区域。

根据本工程消能减震的目标及布置原则，结合建筑平面功能，共设置了182个BRB和22个VFD,典型的阻尼器布置如图5所示。

(3)阻尼器的设置，应便于检查、维护和替换，同时阻尼器不影响建筑使用、外立面效果以及机电管线布置。BRB与主体结构采用人字形和单斜杆两种连接方式，VFD与主体结构采用人字形连接方式(图6),阻尼器主要设置在楼梯、电梯井处。

图6 VFD与主体结构的连接形式

2.4阻尼器的力学参数

BRB采用双线性恢复力模型，VFD采用麦克斯韦恢复力模型，经过多轮对比计算，确定的阻尼器参数见表5、6。

表5 BRB力学参数

表6 VFD力学参数

3、消能减震分析

3.1分析方法及内容

采用YJK软件和ETABS软件对结构进行消能减震分析，分析方法及内容见表7。设防地震、罕遇地震分析时，主体结构框架梁、柱均定义塑性铰，梁两端采用ETABS软件中的M3铰，柱两端采用FiberP-M-M铰。

表7分析方法及分析内容

3.2地震波的选取

选取了2条天然波和1条人工波进行多遇地震、设防地震和罕遇地震下的时程分析。多遇地震、设防地震、罕遇地震加速度峰值分别为70、200、400cm/s2;各条波的参数见表8,满足统计意义上相符的要求。

表8地震波参数

3.3结构能量耗散

以响应较大的R1波为例，阻尼器和主体结构塑性耗能情况见表9,罕遇地震下结构能量耗散见图7。其中，BRB、VFD耗能占比分别为20.6%、11.5%,结构初始阻尼比5%,结构弹塑性阻尼比0.34%,位移型、速度型阻尼器附加阻尼占比分别为1.62%、0.91%。表9及图7表明：1)在多遇地震下，VFD已经开始发挥耗能作用，减小结构地震响应，BRB尚未进入屈服耗能状态；2)在设防地震作用下，BRB已经部分出现屈服，消耗了少量的地震能量，VFD继续发挥消能作用，减小地震响应；3)在罕遇地震下，BRB亦充分屈服，消耗了较多的能量；4)阻尼器的屈服过程符合预期设计目标。

表9阻尼器和主体结构塑性耗能

图7 R1波罕遇地震下能量曲线图

3.4阻尼器耗能

以6、9层阻尼器为例，获取阻尼器的耗能情况。图8和图9分别为BRB和VFD在R1波作用下的滞回曲线。由图可见：多遇地震下，BRB的滞回曲线近于直线，发挥作用较少；VFD的滞回曲线较为饱满，在多遇地震下已经开始发挥作用；随着地震作用增大，BRB和VFD的滞回曲线越来越饱满，表现出较好的减震能力。

图8 R1波作用下典型BRB阻尼器滞回曲线

图9 R1波作用下典型VFD阻尼器滞回曲线

表10罕遇地震作用下阻尼器计算结果汇总

3.5阻尼器出力及位移

以罕遇地震作用为例，分析阻尼器的出力和位移，部分计算结果见表10。罕遇地震作用下，BRB在中、下部楼层出力较大，上部楼层偏小。从BRB的屈服情况看，X、Y两个方向中、下部楼层大部分支撑屈服，且进入屈服的程度较深，顶部3层支撑大部分未屈服。VFD的出力在各楼层较均匀，最大出力为583kN。

3.6减震效果

消能装置及发挥耗能情况见表11。其中，VFD在多遇地震时已经屈服开始耗能，在两个方向均提供约1.6%的附加阻尼比，此时BRB仅提供刚度。设防地震下，VFD和BRB均进入屈服耗能，并随着地震烈度的增加，屈服程度增大，结构附加阻尼比也随之增大，最大达到2.5%,能够有效保证主体结构的安全。

表11阻尼器发挥耗能情况