谈某高层建筑结构减震设计

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摘要：我国现代化建设进程的不断前进，推动了建筑业的快速升温，建筑的结构形式也朝着多样化方向发展。结构的抗震性要求也随着近些年频繁的地震灾害的发生越来越高。抗震设计方法一方面利用结构的延性来减小地震作用，另一方面又要使结构不发生严重的损伤，这是对相互矛盾的目标进行的某种妥协。对建筑结构抗震设计内容进行全面的分析探讨，旨在从设计角度得到提高结构抗震性能的有效方法、措施，对于减少地震危害带来的损失、提高建筑的整体抗震性能，具有重要意义。

关键词：住宅建筑；结构设计；抗震设计

中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号：

引言

地震给人类带来不可估量的灾害和损失，它的不确定性、随机性使得人类难以有效预测。高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的，高层建筑不仅在材料和结构体系上逐渐多样化，而且在高度上也大大增长，结构抗震设计已提到各国建筑结构设计的日程，特别是我国处于地震多发区，高层建筑抗震设防更是工程设计面临的迫切任务，作为工程抗震设计的依据，高层建筑抗震分析处于非常重要的地位。

1 工程概况

该建筑项目有2层地下室,地上建筑为28层,地上房屋高度为85. 40m。地下层2层高为3.60m，地下层1层高为5.40m，地上层1层高为4.40m，其余楼层层高均为3m。该建筑地上为住宅，地下为车库，采用钢筋混凝土剪力墙结构。主要构件材料如下表所示。

建筑标准层剪力墙厚度为250mm，框架柱截面尺寸为500mm×500mm，框架梁截面尺寸为250mm×450mm。抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0. 10g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅱ类。建筑结构安全等级为Ⅱ级;设计使用年限50 年;建筑抗震设防类别丙类;地基基础设计等级乙级;剪力墙抗震等级一级;框架抗震等级一级;建筑物的耐火等级一级;地下室防水等级二级;基本风压(50年一遇) 为0.30kN /m2；基本雪压(50年一遇)为0.10kN/m2。

2 分析方法和过程

2. 1 阻尼器的选择

阻尼器是利用航空器角速度反馈系统增强角运动阻尼的自动装置，用来吸能减震，有很大的作用。该住宅结构采用研发的“平板式铅剪切阻尼器”来提高其抗震能力。计算中采用双线性模型模拟。双线性模型包括3个参数:弹性刚度k1、第二刚度k2和屈服强度fy。该阻尼器参数:屈服力为500kN，最大行程为30mm，弹性刚度为4. 5×107kN /m。由于铅的理想弹塑性性能，平板式铅剪切阻尼器的初始刚度很大，而第二刚度近乎为0，模拟时第二刚度系数取很小的值，滞回曲线近似矩形。屈服强度和弹性刚度都将对阻尼器的耗能效果产生影响，弹性刚度越大，结构的层间位移越集中于阻尼器，因而耗能效果越好。

2. 2 阻尼器的布设

高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统和主动控制减震体系都是已经走向了工程实际。有的已经成为减少振动不可少的保护措施。特别是对于难于预料的地震，破坏机理还不十分清楚的多维振动，这些结构的保护系统就显得更加重要。阻尼器的布设是一个反复计算及优化的过程。先根据剪力墙住宅的结构布置形式，并考虑到建筑设计对使用空间和功能及美观性的要求，确定阻尼器的平面布置位置，其次通过对原结构进行多遇地震作用下的弹性时程分析，确定结构的薄弱层和楼层中位移较大的构件位置，在此基础上初步确定阻尼器的竖向楼层布置位置;位置初步确定后，对结构添加阻尼器进行初步试算。对计算结果进行分析后逐步调整阻尼器的吨位、布置位置和数量，进行优化设计，最终以最少的阻尼器、最小的出力吨数达到最优的减震效果。本项目采用附加墙的方式布置阻尼器，这种附加墙体系可形成隔断墙效果，刚度大，阻尼器位移等于层间位移，耗能能力强，如图3 所示。在综合考虑减震效果、建筑功能等因素后，经优化设计，共选用出力为500kN、行程为30mm 的铅剪切阻尼器100个，分别按结构两个主轴方向布设。

2. 3 减震效果计算和检验

2. 3. 1 地震波的选取

在采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。工程选取二条实际强震记录和一条人工模拟地震波，实际强震记录选取ElCentro波和呼家楼波，人工波根据场地类别和地震分组生成。

2. 3. 2 减震效果分析

针对方案确定的阻尼器位置和出力，在ETABS 中布置阻尼器的平面和竖向位置，并在所选地震波作用下进行多遇地震下的弹性时程分析，检验加阻尼器后各层的层间位移角是否小于在多遇地震时的剪力墙结构的层间位移角限值1 /1 000。若满足要求，则进行大震下弹塑性分析。在罕遇地震下的弹塑性变形验算通过MIDAS 中的Pushover 进行分析。规范规定钢筋混凝土剪力墙结构在大震下的弹塑性层间位移角应当小于1 /120，以此为控制指标进行大震变形验算。静力弹塑性分析需要估计的等效附加阻尼比，根据相应的计算公式进行。

3 最终方案减震效果和设计

3. 1 多遇地震的弹性时程分析

按照前文所述的方法，经过多次试算，逐步确定阻尼器的布置位置及个数，得到结构的时程分析结果。通过对8 度多遇地震时程分析的结果进行对比可知，结构在增设阻尼器后，各层的层间位移角明显减小，在三条地震波作用下的平均减震率(减震前后结构的地震反应之差与减震前结构地震反应的比值)X向达到47.3%，Y向达到53.7%。加阻尼器后各层的层间位移角在多遇地震下基本都控制在1/1000以内。

3. 2 罕遇地震作用下的减震效果

依据计算得到的阻尼器给结构附加的阻尼比为7. 5%。依据此值进行Pushover 分析，结果表明，结构满足8 度罕遇设防的水准。

3. 3 承载力验算

阻尼器的布设可能使原结构的受力发生变化，因此需要对结构的承载力进行验算。经验算，底层部分开洞部位剪力墙轴压比超过了抗震等级为二级时剪力墙的轴压比限值0.6，因此需要对剪力墙截面进行调整，使之满足规范要求。

3. 4 结构局部部位设计

根据ETABS 软件计算得到的剪力墙截面配筋面积，对布置阻尼器后的结构重新进行配筋设计，配筋结果与原结构对比发现，除布置阻尼器位置配筋面积增加较大外，其他部位配筋变化不大。

3. 5 附加剪力墙设计

将阻尼器布置位置处的附加剪力墙简化为悬臂梁，根据《混凝土结构设计规范》( GB50010―2002 ) 对其进行抗弯、抗剪配筋设计。同时为防止钢筋锈蚀，保证结构的耐久性，需要限制其最大裂缝宽度。

3. 6 预埋件及焊缝设计

预埋件的安装保证了阻尼器与结构部位的有效连接。该结构中预埋件分为两

种:拉压和弯剪预埋件。根据《钢筋混凝土结构预埋件图集》( 04G362 ) 和《混凝土结构设计规范》( GB50010―2002 ) 对其分别进行设计，并对阻尼器与预埋件连接处的焊缝强度进行验算。

4 结语

建筑结构设计是一项系统、全面、繁琐而责任重大的工作,注意结构设计中常见的问题,找出相应的解决办法,可以有效地提高建筑结构设计水平与工程质量。特别是各种计算软件被广泛的应用到住宅建筑结构设计中，住宅建筑结构设计逐步朝着更加规范的方向发展，但是由于对结构基本知识及相关规范的认识不足等各种因素，造成目前住宅建筑结构设计中仍然存在很多质量问题，为了提高住宅建筑结构设计的质量，只有设计者在设计过程中不断总结经验，严格按照规范并灵活运用规范，使我们的设计更加经济、安全。