某中小学教学楼建筑减震设计

某中小学教学楼建筑减震设计

向诗丽1, 卢发明2

1．成都城格城乡规划设计有限公司，四川成都 610041  2. 成都市建筑设计研究院有限公司，四川成都 610041

摘要：本文以四川天府新区某中小学教学楼为例，讨论采用BRB防屈曲约束支撑进行减震设计。采用PKPM减隔震模块与Sap2000分别进行了反应谱分析与多遇、设防以及罕遇地震作用下的时程分析。分析表明多遇地震作用下，主体结构与BRB均处于弹性状态，BRB仅提供刚度。设防地震作用下，结构层间位移角满足性能化设计目标要求，表明结构附设了BRB后，具有了良好的抗震耗能能力。罕遇地震作用下，结构层间位移角满足位移限值要求，X、Y地震作用下BRB均进入塑性滞回耗能，具有良好的耗能能力，对主体结构起到了良好的减震效果。

关键词：屈曲约束支撑消能减震 性能目标 耗能

Abstract: This paper discusses the use of BRB buckling restrained brace for shock absorption design, taking a primary and secondary school teaching building in Tianfu New District of Sichuan Province as an example. Response spectrum analysis and time-history analysis under frequent, fortificative and rare earthquakes were carried out by using PKPM damping-isolation module and Sap2000. The analysis shows that both the main structure and BRB are in an elastic state under the action of earthquakes, and BRB only provides stiffness. Under earthquake protection, the interlayer displacement Angle of structure meets the performance design objective. It shows that the structure has good seismic energy dissipation capacity after the BRB is installed. Under rare earthquake, the interlayer displacement Angle of structure meets the displacement limit. Under the action of X and Y earthquakes, all BRBS enter into the plastic hysteretic energy dissipation, which has good energy dissipation capacity and plays a good damping effect on the main structure.

Keywords：buckling restrained brace;seismic energy dissipation; Performance objective ;energy consumption

1.工程概况

本项目位于成都市天府新区，建筑用途为教学楼。由6栋5层的教学楼与1栋3层的教学辅助用房构成，总建筑面积约为4.8万平方米，建筑鸟瞰效果图如图1所示。结构形式为钢筋混凝土框架结构，房屋高度为21.6米，层高均为4.2米。 抗震设防类别为重点设防类(乙类)，设防烈度7 度(0.10g)，场地类别Ⅱ 类，场地特征周期0.45 s，设计地震分组为第三组，框架抗震等级为二级。由于本项目位于地震重点监视地区，根据《建设工程抗震管理条例》的要求应充分重视建筑结构的抗震性能，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。为了提高该结构地震下的安全性，满足条例要求，本工程采用减震设计以加强结构的抗震性能。

图1 建筑效果图                                      图2 结构分缝图

2结构设计与分析

2.1结构布置

结构通过抗震缝将整个项目分成7个单体和11个连廊，形成了平面整体较为规则的结构，各单体基本相似，平面脱缝如图2所示。本文以3#单体为研究对象重点阐述，3#单体PKPM模型如下图3所示，SAP2000模型如图4所示，其规则性如表1所述。

根据《建筑消能减震技术规程》JGJ297—2013 第6.2.1条消能部件的布置不宜使结构出现薄弱构件或薄弱层，楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称”的原则。同时，结合建筑立面需求，支撑采用V字形布置，支撑立面布置见图5与支撑与主体连接形式见图6。

图3 3#单体PKPM模型                       图4 3#单体sap2000模型

图5  支撑立面布置                             图6 支撑与主体连接形

表1.不规则判断项

据结构设计方案中所述方法，本工程通确定减震器的参数和数量，见下表2

表2.屈曲约束支撑（BRB）性能规格表

由BRB的性能规格表可知，所有类型的BRB在小震下的受力均小于BRB的屈服力，因此设置BRB“小震弹性”的设计目标是满足的。

2.2性能目标

根据《建设工程抗震管理条例》（国务院第744号令）第十六条中“保证本区域设防地震时能够满足正常使用要求”及《关于<建设工程抗震管理条例>实施意见》第二条，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）附录M，关键构件不应不低于性能2，普通竖向构件不应、普通水平构件（框架梁、连梁等）不宜低于性能3，进行结构构件的抗震承载力、变形和构造设计，以及非结构构件和建筑附属设备支座抗震设计，并满足表3的位移角限值。

表3. 构件抗震性能目标

2.3时程分析与结果

依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）5.1.2条合理的选取实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线，地震波信息如表4

表4.地震波信息

七组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应结构主要振型的周期点上的差值均不大于20%，其值如表5所示，反应谱与时程结构底部剪力如表

6，其值表明5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线选取符合规范的要求。

表5.时程反应谱与规范反应谱曲线对比表

表6.结构底部剪力对比表

SAP模型中BRB采用非线性单元Plastic（Wen）模拟，其结果表明减震结构在小震作用下，结构层间位移角为：X向最大为1/1425，Y向为1/1424；反应谱作用下：X向最大为1/1176，Y向为1/1160；均满足规范要求，满足原定减震目标，如图7~10所示。

图7 X向小震楼层剪力曲线                   图8 X向小震层间位移角曲线

图9 Y向小震楼层剪力曲线                   图10 Y向小震层间位移角曲线

弹塑性时程分析过程考虑材料非线性；采用小变形假定；不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系数为0。弹塑性时程分析过程中，根据规范对所选地震波进行调幅。选取弹性时程分析中的七条地震波进行设防地震与罕遇地震分析，分析结果取平均值。

为了分析结构在不同地震波、不同地震输入方向作用下结构的弹塑性性能，对结构进行单向地震输入作用下的弹塑性动力性能进行分析，减震结构在中震作用下，结构层间位移角为：X向最大为1/500，Y向为1/498；均满足规范要求，且满足原定减震目标1/400。小部分阻尼器有屈服，针对已屈服的BRB，在PKPM等代模型中采用折减后的刚度进行模拟。中震楼层剪力与位移计算结果如图11~14所示；阻尼器中震下的滞回曲线及结构耗能曲线见图17~18所示。

图11 X向中震楼层剪力曲线                   图12 X向中震层间位移角曲线

图13 Y向中震楼层剪力曲线                   图14 Y向中震层间位移角曲线

图15 X向中震结构耗能曲线                      图16 Y向中震结构耗能曲线

图17 X向中震结构滞回曲线                     图18 Y向中震结构滞回曲线

综合以上各图可知，结构在中震作用下，阻尼器滞回耗能，阻尼器分担了相当一部分地震能量，从而保护了主体结构的安全。

本工程罕遇地震作用下，减震后结构实际层间位移角为：X向1/225，Y向1/232，均满足规范1/150的限值要求；本工程罕遇地震作用下，非减震结构位移角为：X向1/133，Y向1/125，均满足规范1/50的限值要求。根据《建筑抗震设计规范              》（GB50011-2010），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，罕遇地震作用下结构最终出铰情况如图19~20所示。

图19 X向大震结构塑性铰分布图                       图20 Y向大震结构塑性铰分布图

大震弹塑性分析中，结构耗能与阻尼器滞回曲线情况如图21~24所示。

图21 X向大震结构耗能曲线                      图22 Y向大震结构耗能曲线

图23 X向大震结构滞回曲线                     图24 Y向大震结构滞回曲线

3 结论

本文对结构的整体模型进行了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的抗震性能，主要结果总结如下：

1. 小震地震作用下，结构主体弹性，BRB由于小震下仅提供刚度，因此小震下就保持弹性。

2. 结构在中震作用下，结构层间位移角为：X向1/500，Y向1/498，满足位移角1/400的限值要求。表明结构附设了BRB后，具有了良好的抗震耗能机制，保证了结构的安全，达到预期目标。

3. 罕遇地震作用下，结构层间位移角为：X向1/225，Y向1/232，满足位移角1/150的限值要求。罕遇地震作用下，X、Y地震作用下BRB均进入塑性滞回耗能，具有良好的耗能能力，为结构主体提供了良好的安全保证。

参考文献

[1] 建设工程抗震管理条例[M]. 北京: 中国法制出版社,2021.

[2] 张坚,周正久,周佳祺,刘桂. 组合消能减震技术在工程项目中的应用与研究[J]. 建筑结构，2023，53（1）:71-78.

[3] 张小雪，刘锋. 北京某小学科技楼消能减震分析与设计[J]. 建筑结构，2022,52(S2):797-801

[4] 郭彦林，刘建彬，蔡益燕，邓科. 结构的耗能减震与防屈曲支撑[J]. 建筑结构，2005，35（8）:18-23.

[5] 章传胜,江韩.某中小学单跨框架加屈曲约束支撑设计分析[J]. 江苏建筑，2020，第6期：55-57

[6] 杨菊，强寒丹，仇冬. 约束屈曲支撑的研究及应用[J]. 湖南工业职业技术学院学报，2014，14（1）：12-14

[7] 建筑消能减震技术规程: JGJ297-2013[S]. 北京: 建筑工业出版社, 2013.

作者简介：

1.向诗丽.学士.工程师，中华人民共和国一级注册结构工程师，注册土木工程师（岩土），邮箱：849628861@qq.com

2：卢发明 .硕士.高级工程师，中华人民共和国一级注册结构工程师，邮箱：lufaming2022@126.com