正定某中学教学楼减震结构设计与分析_孟范辉.pdf
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1、DOI:10.13905/ki.dwjz.2022.12.026正定某中学教学楼减震结构设计与分析SEISMIC STRUCTURE DESIGN OF A MIDDLE SCHOOL TEACHING BUILDING IN ZHENGDING孟范辉,张金海(天津大学建筑设计规划研究总院有限公司,天津 300073)MENG Fanhui,ZHANG Jinhai(Tianjin University Research Institute of Architectural Design&Urban Planning Co.,Ltd.,Tianjin 300073,China)【摘要】文中根据
2、国家 建设工程抗震管理条例 的规定要求,对正定某中学教学楼进行消能减震设防地震弹性设计,介绍了粘滞阻尼器减震设计的思路和原则。分析结果表明,在设防地震作用下,粘滞阻尼器能够提供一定的附加阻尼比,有效的减小结果的基底剪力,位移角满足规范设计要求;在大震作用下,结构具有良好的抗震性能,且阻尼器的滞回曲线饱满,实现“大震不倒”的抗震设防目标。对减隔震结构设计有一定的参考意义。【关键词】消能减震;粘滞阻尼器;结构设计;抗震性能【中图分类号】TU352【文献标志码】A【文章编号】1001-6864(2022)12-0119-05Abstract:According to the requirements
3、 of the national regulations on seismic management of construction projects,the seismic elastic design of a middle school building in Zhengding is carried out,in which the ideas and principles of viscous dampers are proposed.The results show that the viscous damper provides a certain additional damp
4、ing ratio,effectively reduce the resulting base shear,and the displacement angle meets the design requirements ofthe code.Under the large earthquake,the structure has good seismic performance,and the hysteretic curve of thedamper is full,so the seismic fortification goal of no-collapse-in-large-eart
5、hquake can be achieved,which has certain reference significance for the design of seismic isolation structure.Key words:energy dissipation;viscous damper;structural design;seismic performance0引言为提高建筑工程抗震防灾能力,降低地震灾害风险,保证人民生命财产安全,国家制定了 建设工程抗震管理条例,并于2021年9月1日起正式实施。根据条例规定位于高烈度区、地震重点监视防御区的新建学校、幼儿园、医院、养老机
6、构等重要建筑应按照国家有关规定采取隔震减震技术,保证发生本区域设防地震时能够满足正常要求。根据条例规定,只要是在上述地震区域的新建学校,不论大学、中学还是小学均应按照设防地震设计,且必须采取减震隔震技术,提高其抗震性能。国内很多学者对结构的减隔震设计已经做了很多研究1-3,文中以正定市某中学教学楼为例,采用粘滞阻尼器减震技术对结构中震弹性减震设计的思路和方法进行分析。1工程概况工程为正定市某中学教学实验楼,建筑地上5层,无地下室,结构总高度21.75m。首层层高4.5m,其他层高均为4.2m,结构体系采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。根据 建筑工程抗震管理条例 规定,正定市属于地震重点防御区,工
7、程属于新建学校应按照设防地震设计,并采取粘滞阻尼器减震技术。抗震设防烈度为7度0.1g,水平地震影响系数最大值按照0.23取值,场地特征周期0.55s,设计地震分组为第二组4,建筑抗震设防类别为重点设防类5。工程结构设计使用年限50年,结构安全等级为一级6,结构重要性系数为1.1。2结构设计及计算分析2.1结构体系及布置工程采用混凝土框架剪力墙结构,根据建筑功能,在横纵向每层个选取两个位置布置粘滞阻尼器,同时尽量满足相对均匀且层间变形或速度较大的位置。结构布置及粘滞阻尼器布置见图1,图中云线圈处为粘滞阻尼器位置。2.2消能减震布置方案图1结构平面布置(单位:mm)480012345678966
8、8009600960096009600960096004400GEDC52001660039007500119低温建筑技术-结构工程Dec.2022 No.294工程按照7度0.1g设防地震弹性设计,水平地震影响系数最大值max取0.23,相当于8度0.15g小震设计,烈度比较高,再根据教学楼功能布置,X向布置阻尼器的数量受限制,综合考虑采用减震效率比较高的非线性粘滞阻尼器减震技术。工程粘滞阻尼器采用悬臂式和斜撑式混合布置形式见图2。斜撑式安装方便,刚度大,但是受空间限制,悬臂墙式布置灵活,但是施工相对麻烦。工程减震设计采用速度相关性的非线性黏滞流体消能器,阻尼系数为800kN(s/m),阻尼
9、指数为0.25,设计阻尼出力600kN,设计允许行程50mm,适用结构第一自振频率f1为1.82Hz。2.3结构计算分析工程的反应谱计算主要采用北京盈建科软件有限责任公司开发的盈建科(YJK)4.0.0软件版本,弹性及弹塑性时程计算主要采用中国建筑科学研究院有限公司等开发的SAUSAGE(2021.3)软件版本。其中,进行弹性及弹塑性时程计算时,黏滞消能器采用MAXWELL单元进行模拟,混凝土采用约束混凝土本构,其余材料的弹塑性本构均采用软件默认本构。约束混凝土本构是考虑箍筋约束效应,采用清华大学钱稼茹教授提出的本构模型。表达式如下:令x=cc,y=fcc|y=ax+()3-2a x2+()a
10、-2 x3()0 x 1y=x()1-0.870.2v()x-12+x()x 1式中,和分别为混凝土的应变和应力;fcc为混凝土单轴抗压强度代表值;cc为与单轴抗压强度fcc对应的峰值亚应变;a为曲线上升段参数,a=2.4-0.01fcu;为曲线下降段参数,=0.132fcu0.785-0.905;V为配箍特征值。其中下降段也可以用三折线来模拟:分别连接点(1.0,1.0),(0.5/cc,0.5),(0.2/cc,0.2)即可,在(0.2/cc,0.2)以后是水平线。0.5/cc与0.2/cc可以采用下式计算:0.5/cc=2.34+2.49v0.730.2/cc=4.91+9.17v0.7
11、6为保证两者软件模型的准确性,分别采用两种软件进行结构基本分析,对比情况如表1、表2所示。经计算两种软件计算结果差别不大,可以进行下一步分析。2.3.1中震弹性分析(1)地震波选取。根据GB 50011-2010 建筑抗震设计规范 及JGJ 297-2013 建筑消能减震技术规程7相关规定:采用时程分析法时,应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线,其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3,多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。文中弹性时程分析均选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线;工程计
12、算时均采用双向地震波输入。中震弹性时程时均采用双向地震波输入进行计算,其主方向地震波加速度峰值为100cm/s2,次方向地震波加速度峰值为85cm/s2,地震波平均谱与规范谱对比见图3。根据地震反应谱曲线计算,在结构主要周期点图2黏滞消能器布置方式(a)悬臂墙式布置(b)斜撑式布置0.3720.3350.2970.2600.2230.1860.1490.1120.0740.03700.601.201.802.403.003.604.204.805.406.00周期T/s规范谱TH037TG055 波谱TH1TG055 波谱RH3TG055 波谱RH2TG055 波谱IMPERIALCALLEY
13、-波谱NOR THRIDGE-06 波谱SANFERNANDO 波谱地震波平均谱T1=0.58(s):4.84%-6.32%2.60%-5.04%2.67%23.47%-8.76%1.92%T2=0.48(s):10.95%-0.51%-0.94%-7.38%14.83%-2.93%-12.03%0.28%T3=0.40(s):-10.70%4.60%-1.92%-9.19%19.99%-24.14%5.13%-2.32%地震影响系数图3地震波平均谱与规范谱对比表1质量对比质量/kNYJK93180SAUSAGE99118差值/%6.37表2SAUSAGE与YJK模态分析结果对比周期123YJ
14、K0.5500.4880.405SAUSAGE0.5650.4560.370差值/%2.72-6.55-8.64表3无消能器模型基底剪力对比(中震弹性)工况反应谱IMPERIALVALLEY-06_NORTHRIDGE-06SANFERNANDOTH037TG055TH1TG055RH2TG055RH3TG055时程平均值基底剪力/kNX169681649820726152001815415083142401639716614Y162791883916273149611802416168138071559716239比例/%X10097.212289.510788.883.996.697.9Y
15、10011599.991.911099.384.895.899.7120上,地震波反应谱与规范反应谱相差不超过20%,符合规范要求。经计算,各地震波基底剪力及平均基底剪力均符合规范要求见表3。(2)中震弹性时程分析。布置消能器后进行中震弹性时程分析,位移结果见表4。由表4可知,不考虑局部屋顶的前提下,有消能器模型弹性时程下层间位移角最大值为1/1299。(3)有消能器模型能量分析及等效附加阻尼。在中震弹性时程计算下,结构根据能量法计算的等效消能器计算结果见表5。由表5可知,中震作用下,黏滞消能器两方向分别提供了约4.27%和4.41%的等效附加阻尼比,滞消能器在中震下发挥了较好的耗能作用,且阻
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