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• 減震隔震技術(shù)應(yīng)用背景

• 工程概況?

• 消能減震構(gòu)件介紹

        本工程主要采用屈曲約束支撐和黏滯阻尼墻兩類消能減震構(gòu)件。  
      （1）屈曲約束支撐
        屈曲約束支撐是通過鋼材的軸向拉壓來消耗能量的元件，由內(nèi)芯和約束部件構(gòu)成。屈曲約束支撐既可以避免普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷，又具有優(yōu)良的耗能能力，充當(dāng)主體結(jié)構(gòu)中的“保險(xiǎn)絲”，使得主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍內(nèi)，可以全面提高傳統(tǒng)的支撐框架在中震和大震下的抗震性能。對(duì)于有耗能需求的建筑，屈曲約束支撐的使用一方面需要有足夠的層間變形，另一方面需要有布置空間。屈曲約束支撐的基本構(gòu)造如圖所示。支撐的中心是鋼芯，鋼芯在工作時(shí)僅承擔(dān)拉、壓力，截面形式一般有一字形、十字形、H形、工字形以及矩形等，常見的為十字形。為避免鋼芯受壓時(shí)整體屈曲，即在受拉和受壓時(shí)都能達(dá)到屈服，鋼芯被置于一個(gè)鋼套管內(nèi)，然后在套管內(nèi)灌注混凝土或砂漿。在芯材和砂漿之間設(shè)有一層無粘結(jié)材料或非常薄的空氣層，允許鋼芯在外包材料中伸縮。       （2）黏滯阻尼墻  
        黏滯消能器是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)，特別是當(dāng)流體通過節(jié)流孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生黏滯阻力的原理而制成的，是一種與剛度、速度相關(guān)型消能器。一般由油缸、活塞、活塞桿、襯套、介質(zhì)、銷頭等部分組成，活塞可以在油缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上設(shè)有阻尼結(jié)構(gòu)，油缸內(nèi)裝滿流體阻尼介質(zhì)。當(dāng)外部激勵(lì)（地震或風(fēng)振）傳遞到結(jié)構(gòu)中時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形并帶動(dòng)消能器運(yùn)動(dòng)。在活塞兩端形成壓力差，介質(zhì)從阻尼結(jié)構(gòu)中通過，從而產(chǎn)生阻尼力并實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)變（機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能），達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的目的。黏滯阻尼墻具有速度相關(guān)性，可在不改變結(jié)構(gòu)剛度分布，具有耗能能力強(qiáng)、外形美觀等諸多優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。       （3）阻尼器分布  
        結(jié)合建筑平面，在原結(jié)構(gòu)設(shè)置黏滯阻尼墻和防屈曲支撐，在主樓首層和二層外墻上布置屈曲約束支撐，在首層到五層設(shè)置黏滯阻尼墻。主樓共設(shè)置了44個(gè)黏滯阻尼墻和32個(gè)屈曲約束支撐。其中：
        X向共布置黏滯阻尼墻22個(gè)，屈曲約束支撐16個(gè)；
        Y向共布置黏滯阻尼墻22個(gè)，屈曲約束支撐16個(gè)。

• 分析軟件

        彈塑性分析軟件采用由北京市建筑設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)的非線性結(jié)構(gòu)分析軟件Paco，采用精細(xì)有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。軟件具有如下特點(diǎn)：  
      （1）豐富的數(shù)據(jù)接口。Paco以自身開放的模型數(shù)據(jù)庫作為中轉(zhuǎn)平臺(tái)，開發(fā)了各種專業(yè)軟件的模型轉(zhuǎn)換接口，可有效避免重復(fù)建模所帶來的額外工作量，顯著提高工作效率。
      （2）高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，支持非協(xié)調(diào)網(wǎng)格。Paco內(nèi)置了專業(yè)的四邊形網(wǎng)格劃分算法，該算法具有良好的通用性，可顯著提高剪力墻和樓板的應(yīng)力精度。此外，Paco支持非協(xié)調(diào)網(wǎng)格，進(jìn)一步提升單元尺寸穩(wěn)定性。
      （3）非線性連梁可布置交叉斜筋，Paco提供對(duì)殼單元任意布置鋼筋，無需鋼筋端點(diǎn)是殼單元邊界點(diǎn)，可考慮連梁鋼筋保護(hù)層，也可用于交叉筋布置，相較于傳統(tǒng)連梁邊界鋼筋有更好的適用性。
      （4）支持非線性施工模擬，Paco支持完全非線性的施工模擬，準(zhǔn)確考慮豎向荷載下的結(jié)構(gòu)損傷。
      （5）支持顯式及隱式彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，多種計(jì)算方法可以兼顧用戶對(duì)于計(jì)算效率，收斂性的要求。

• 計(jì)算模型

        Paco可直接導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算模型，并導(dǎo)入相關(guān)構(gòu)件配筋信息。下圖為導(dǎo)入后的Paco計(jì)算模型。         精確計(jì)算模型是進(jìn)行設(shè)防地震時(shí)程反應(yīng)的基礎(chǔ)，因此，在設(shè)防地震彈塑性時(shí)程分析之前，首先進(jìn)行了模態(tài)分析，用來校核模型轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確程度。下表為Paco模型和設(shè)計(jì)軟件的質(zhì)量和周期對(duì)比結(jié)果。    

	Paco	設(shè)計(jì)軟件	相對(duì)差值
質(zhì)量/t	45897	44685	2.71%
第一周期/s	1.718	1.707	0.67%
第二周期/s	1.675	1.684	-0.56%
第三周期/s	1.492	1.532	-2.61%

• 地震波選擇

          罕遇地震計(jì)算過程中結(jié)構(gòu)固有阻尼比取0.03。采用RSN1164、RSN2900、L991三組地震波，其中RSN1164、RSN2900為天然波，L991為人工波。在罕遇地震作用下，地震波的水平兩方向和豎地震波峰值加速度比為1:0.85:0.65，罕遇地震加速度峰值取510Gal。   
        結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)共分6個(gè)工況，RSN1164XY、RSN1164YX、RSN2900XY、RSN2900YX、L991XY、L991YX。Paco計(jì)算效率非常高，在采用RTX3080Ti的電腦上進(jìn)行彈塑性分析計(jì)算，工況L991XY僅需4分15秒左右，所有6個(gè)工況計(jì)算時(shí)間總時(shí)間僅需57分鐘。

• 結(jié)構(gòu)位移

         Paco可以給出結(jié)構(gòu)的層位移和層間位移角結(jié)果。
       （1）結(jié)構(gòu)各層最大位移
         下圖分別給出了各工況罕遇地震作用下X向和Y向的最大位移曲線。結(jié)構(gòu)的X向最大位移為0.284m，Y向最大位移為0.311m。        （2）結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角
       下圖分別給出了各工況罕遇地震作用下X向和Y向的最大位移曲線。結(jié)構(gòu)的X向最大層間位移角為1/116，Y向最大層間位移角為1/103,均小于1/50。

• 
• ?消能器地震反應(yīng)

        Paco軟件可以給出消能器的滯回曲線、內(nèi)力、耗能、附加阻尼比等結(jié)果。
     （1）黏滯流體消能器地震反應(yīng)
       下圖是Paco給出的在罕遇地震時(shí)，X向和Y向地震作用下部分黏滯阻尼墻的滯回曲線。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，黏滯阻尼墻的最大出力為774kN，小于阻尼墻產(chǎn)品的最大出力，阻尼墻最大行程為41mm，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)如圖所示，黏滯阻尼墻滯回曲線飽滿，在罕遇地震下保持良好的耗能減震性能。      （2）屈曲約束支撐地震反應(yīng)
        下圖是Paco給出的在罕遇地震時(shí)，X向和Y向地震作用下部分屈曲約束支撐的滯回曲線。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，屈曲約束支撐的最大出力為5742kN，最大位移為26mm，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)如圖所示，屈曲約束支撐滯回曲線飽滿，在罕遇地震下保持良好的耗能減震性能。

• 與消能器相連鋼框架地震反應(yīng)

        Paco軟件可以給出鋼支撐的損傷，并依據(jù)損傷給出性能水平。下圖是Paco給出的與消能器相連的框架應(yīng)變損傷分布，與消能器相連的框架梁總體處于無損壞和輕微損壞的狀態(tài)，少量鋼柱底部進(jìn)入塑性，但鋼柱總體仍具有較高承載能力。綜合以上分析，說明與消能器相連的框架梁能夠滿足極限承載力要求。

• 鋼支撐性能水平

       下圖是Paco給出的多工況包絡(luò)損傷和性能水平圖，可以看出，大部分鋼支撐處于無損壞的狀態(tài)，部分鋼支撐進(jìn)入輕微損壞和輕度破壞的性能狀態(tài)，總體來說，鋼支撐總體還具有較高的剩余承載力，滿足既定的性能目標(biāo)。

• 屋蓋支撐地震反應(yīng)     

        大震作用時(shí)屋蓋支撐的損傷如下圖所示，可以看出，屋蓋鋼支撐罕遇地震中保持彈性，屋蓋支撐構(gòu)件在罕遇地震作用下無損壞性能水平，由此保證了罕遇地震下屋蓋鋼結(jié)構(gòu)重力荷載可以安全地傳遞給周邊框架結(jié)構(gòu)。     

• 主體框架地震反應(yīng)

         Paco給出的鋼框架梁損傷狀況如下圖所示，可以看出，大部分鋼梁處于無損壞的狀態(tài)，部分鋼梁進(jìn)入輕微損壞和輕度破壞的性能狀態(tài)，對(duì)應(yīng)鋼梁進(jìn)入開始塑性狀態(tài)但并未充分發(fā)展，此時(shí)可有效降低結(jié)構(gòu)剛度，從而減小整體結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的地震剪力。少部分屋面鋼梁塑性發(fā)展程度較大，但屋面梁的破壞對(duì)主體結(jié)構(gòu)承載力影響較小。綜合上述分析，總體來說，具有較高的剩余承載力，滿足大震不倒的抗震設(shè)防要求。             鋼框架柱損傷如下圖所示，可以看出，整體結(jié)構(gòu)大部分鋼柱處于無損壞性能水平，少量出現(xiàn)損傷的鋼柱的平均損傷因子保持在較低的水平，屬于輕微損傷和輕度破壞。綜合考慮各工況下的鋼框柱的地震反應(yīng)，未出現(xiàn)某層連續(xù)貫通的塑性鉸，說明鋼柱在大震下不會(huì)產(chǎn)生倒塌，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

• 樓板地震反應(yīng)

        Paco可以給出混凝土的拉壓損傷情況。下圖是Paco給出的樓板混凝土受壓損傷及性能水平圖。可以看出，整體結(jié)構(gòu)混凝土樓板的損傷保持在較低水平，大部分樓板處于無損狀態(tài)，少量區(qū)域樓板處于輕度破壞的性能水平，說明樓板結(jié)構(gòu)在大震下仍能保持整體性，確保地震時(shí)水平剪力的順利傳遞。   

• 彈性與彈塑性分析結(jié)果對(duì)比

        利用Paco計(jì)算效率高的特點(diǎn)，額外計(jì)算了罕遇地震彈性時(shí)程分析的結(jié)果，與彈塑性結(jié)果對(duì)比如下。  
      （1）層剪力對(duì)比
        下圖給出了6個(gè)工況彈性時(shí)程分析和彈塑性時(shí)程分析的樓層剪力包絡(luò)值對(duì)比，結(jié)果表明，罕遇地震彈塑性時(shí)程分析的到的結(jié)構(gòu)層剪力約為彈性時(shí)程分析結(jié)構(gòu)層剪力的90%。       （2）頂點(diǎn)位移時(shí)程對(duì)比
        如下圖所示，以人工波L991為例，給出了本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)定點(diǎn)在罕遇地震彈性和彈塑性時(shí)程分析時(shí)位移時(shí)程曲線對(duì)比結(jié)果。可以看出，結(jié)構(gòu)周期沒有顯著延長，說明剛度退化不算明顯，整體結(jié)構(gòu)損傷不大。

• 分析結(jié)論

        根據(jù)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)價(jià)如下：   
      （1）結(jié)構(gòu)X向最大位移值為0.284m，結(jié)構(gòu)Y向最大位移值為0.311m，X向最大層間位移角為1/116，Y向最大層間位移角為1/103。結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角及Y向?qū)娱g位移角均未超出規(guī)范限值1/50。
       （2）結(jié)構(gòu)鋼支撐總體處于無損壞和輕微損壞的性能狀態(tài)；鋼柱總體處于無損壞和輕微損壞的性能狀態(tài)，在大震下還具有較高的剩余承載能力；大部分鋼梁處于無損壞的狀態(tài)，部分鋼梁進(jìn)入輕微損壞和輕度破壞的性能狀態(tài)，對(duì)應(yīng)鋼梁進(jìn)入開始塑性狀態(tài)但并未充分發(fā)展，少數(shù)屋面梁進(jìn)入塑性程度較大但不影響結(jié)構(gòu)整體承載能力；屋蓋鋼結(jié)構(gòu)支撐保持彈性，可確保屋蓋重力荷載安全傳遞給四周框架；總體來看，整體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)連續(xù)貫通的塑性鉸，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。
      （3）各工況下與消能器相連的框架梁總體處于無損壞和輕微損壞的狀態(tài)，少量鋼柱底部進(jìn)入塑性，但鋼柱總體仍具有較高承載能力，說明與消能器相連的框架梁能夠滿足極限承載力要求。
      （4）黏滯阻尼墻與屈曲約束支撐的滯回曲線飽滿，在大震下起到充分的消能減震作用，黏滯阻尼墻和屈曲約束支撐的最大輸出力和最大行程均滿足產(chǎn)品性能要求。
        綜上，通過分析論證，本結(jié)構(gòu)能夠滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。