基于地震时正常使用的建筑物减震设计探讨.pdf

抗震研究KANGZHENYANJ IU何世茂,等:基于地震时正常使用的建筑物减震设计探讨 工程与建设 年第 卷第期收稿日期:;修改日期:作者简介:何世茂(),男,江西赣州人,硕士,高级工程师基于地震时正常使用的建筑物减震设计探讨何世茂,陈明明(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司,云南 昆明 )摘要:对基于地震时正常使用的减震设计方法进行了分析,从抗震设防目标、设计控制指标、抗震承载力计算方法三方面进行了论述,总结了其与现行减震设计规范存在的差异.通过以混凝土框架减震结构为研究对象,对多遇地震和设防地震作用下的附加阻尼比、层间位移角、楼面加速度进行研究,研究成果表明:基于地震时正常使用的减震设计的控制指标是设防地震作用时的层间位移角;减震结构难以满足 导则 对楼面加速度的要求;按 导则 计算的钢筋量比按 抗规 计算的增加 左右.关键词:减震结构;正常作用;附加阻尼比;设防地震;楼面加速度中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()引言近年来,消能减震技术得到逐步推广,每年都有大量的新建建筑采用消能减震技术.国内尤其是在汶川地震之后,消能减震技术越来越被重视,多省份出台相关规定要求重点设防类项目必须采用消能减震技术,消能减震结构的应用呈现井喷的趋势.随着我国国民经济和城市化水平的发展,我国对建筑的防震减灾能力提出了更高的要求.年月日实施的 建设工程抗震管理条例(以下简称“条例”)规定“两区八类”建筑在发生本区域设防地震时能够正常使用,应当采用隔震减震等技术.保持正常使用功能要求是在遭受相当于本地区抗震设防烈度地震影响时保证结构和建筑非结构构件基本完好、建筑附属机电设备和仪器设备正常使用.为达到目标,需要明确相关的控制指标,对于主体结构,主要控制结构的变形和构件的损伤,对非结构构件主要控制整体变形和楼面加速度.目前对于现行规范和基于正常使用的相关规范的差异性和经济性研究还相对较少.基于上述研究需求,本文首先综合分析了现行规范和基于正常使用的相关规范的差异,对减震设计时的三个方面进行了分析.基于正常使用的相关规范和现行减震设计规范对比现 行 减 震 设 计 相 关 规 范 为 建 筑 抗 震 设 计 规 范(G B ,以下简称 抗规)和 建筑消能减震技术规程(J G J ,以下简称 减震规程);基于地震时正常使用的规范或地方标准为 建筑抗震设计规范(局部修订条文征求意见稿)和 基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则(征求意见稿,以下简称“导则”),北京市地方标准 建筑工程减隔震技术规程(征求意见稿),河北省地方标准 建筑工程减隔震技术标准(D B (J)/T )和云南省地方标准 建筑消能减震应用技术规程(D BJ /T ).对比现行减震设计规范和基于地震时正常使用的规范或地方标准,主要有以下三点显著差异:抗震设防目标不同 抗规 和 减震规程 的抗震设防目标为“小震不坏,中震可修,大震不倒”,基于地震时正常使用的规范或地方标准的抗震设防目标为“中震基本不坏,大震可修,巨震不倒”.主要设计控制指标不同 抗规 所提出的抗震设防三个水准的要求,采用二阶段设计方法来实现,采用层间位移角作为衡量结构变形能力从而判别是否满足建筑功能要求的指标.如框架结构多遇地震下结构弹性层间位移角限值为/,罕遇地震时结构弹塑性层间位移角限值为/.基于地震时正常使用的规范或地方标准以主要以结构的层间变形和楼面加速度为控制指标,如框架结构设计地震下结构弹性层间位移角限值为/(类),罕遇地震时结构弹塑性层间位移角限值为/(类).同时控制楼面加速度,类建筑设防地震时不超过 g,罕遇地震时不超过 g.抗震承载力计算方法不同 抗规 和 减震规程 是在多遇地震作用下,考虑“强柱弱梁”和抗震等级的相关内力调整系数,按主体结构弹性的原则下进行构件的配筋.导则(征求意见稿)根据功能、作用、位置及重要性将结构构件分为关键构件、重要水平构件、普通竖向构件、普通水平构件,根据不同类别的构件,采用不同的计算方法,如减震结构中的子结构采用中震弹性、大震不屈服的计算方法,竖向构件采用中震抗弯不屈服,抗剪弹性、大震不考虑的计算方法,水平构件采用中震不屈服、大震不考虑的计算方法.由于构件配筋的计算方法不同,故经济性指标有一定的差异.何世茂,等:基于地震时正常使用的建筑物减震设计探讨抗震研究KANGZHENYANJ IU 工程与建设 年第 卷第期 工程案例 工程概况本工程抗震设防烈度为度,设计基本地震加速度峰值为 g,设计地震分组第三组,类场地,场地特征周期 s,结构 形 式为 混凝 土 框架 结构.建筑 平 面尺 寸为 m m,共层,层高分别为 m、m、m,建筑高度为 m,高宽比为 .结构及阻尼器平面图如图所示.图阻尼器平面布置图 阻尼器布置本工程由Y J K进行整体计算,确定需要附加的阻尼比为,其数量、型号、位置通过多轮时程分析进行优化调整后确定,最终确定本工程在地上第、层适当位置设置.共布置阻尼器个,其中X向布置个,Y向布置个,阻尼器参数见表.阻尼器布置位置如图所示.表黏滞阻尼器参数表参数参数值设计阻尼力F/k N 阻尼指数 阻尼系数C/(k Ns/mm)设计行程/mm 最大行程/mm 附加阻尼比计算在多遇地震和设防地震作用时进行弹性时程分析,采用条人工波和条天然波分别计算,得到结构层间剪力和层间位移,用于计算结构弹性应变能;得到阻尼器的阻尼力和变形,用于计算阻尼器的耗能;最后根据上述公式得到多遇地震和设防地震作用下附加阻尼比,结果见表表.表多遇地震作用下X方向附加阻尼比地震波结构总应变能/(k Nmm)阻尼器总耗能/(k Nmm)附加阻尼比/附加阻尼比平均值/R R T T T T T 表多遇地震作用下Y方向附加阻尼比地震波结构总应变能/(k Nmm)阻尼器总耗能/(k Nmm)附加阻尼比/附加阻尼比平均值/R R T T T T T 表设防地震作用下X方向附加阻尼比地震波结构总应变能/(k Nmm)阻尼器总耗能/(k Nmm)附加阻尼比/附加阻尼比平均值/R R T T T T T 表设防地震作用下Y方向附加阻尼比地震波结构总应变能/(k Nmm)阻尼器总耗能/(k Nmm)附加阻尼比/附加阻尼比平均值/R R T T T T T 抗震研究KANGZHENYANJ IU何世茂,等:基于地震时正常使用的建筑物减震设计探讨 工程与建设 年第 卷第期结果表明,多遇及设防地震作用下,黏滞阻尼器能够很好地发挥 消 能 减 震 的 作 用,在 多 遇 地 震 下 能 够 为 结 构 提 供 的附加 阻 尼 比,设 防 地 震 下 阻 尼 器 能 够 为 结 构 提 供 的附加阻尼比,均达到附加阻尼比为的目标.从结果来看,多遇地震作用下附加阻尼比远大于设防地震,说明本结构若按小震计算时,将有较多的富余.多遇地震作用下结构的时程响应分析根据 按规 要求,框架结构在多遇地震作用下,结构楼层内最大的弹性层间位移角限值为/.结果表明:X向最大层间位移角为/,Y向最大层间位移角为/,远小于限值/,进一步说明小震时结构有较大的富余.设防地震作用下结构的时程响应分析根据 导则 要求,框架结构在设防地震作用下,结构楼层内最大的弹塑性层间位移角限值为/.结果表明:X向最大层间位移角为/,Y向最大层间位移角为/,接近限值/,说明结构构件截面比较合适.从多遇地震和罕遇地震的层间位移角计算结果来看,多遇地震时有较大的富余,设防地震时接近限值要求,说明结构控制指标主要为设防地震作用时的层间位移角.楼面水平加速度验算 导则(征求意见稿)中对于类建筑地震时正常使用建筑的最大楼面水平加速度限值,设防地震时为 g,罕遇地震时为 g,本工程的计算结果见表.由结果可知,高楼层的楼面加速度不满足要求.从结果中可看出,楼层越高,楼面加速度越大,越难满足 导则 要求.表楼面水平加速度楼层设防地震罕遇地震 g g g g g g 结构弹塑性时程分析结果根据 导则(征求意见稿)第 、条要求,框架结构在罕遇地震作用下,结构楼层内最大的弹塑性层间位移角限值为/.结果表明:X向最大层间位移角为/,Y向最大层间位移角为/,远小于限值/,说明大震时结构弹塑性层间位移角有较大的富余,抗震性能有较大的提高.钢筋用量对比为了确定混凝土框架减震结构的经济性差别,按相同的截面分别按 抗规 和 导则 进行设计配筋.抗规 是进行多遇地震反应谱分析,导则 是进行设防烈度下的中震反应谱分析,钢筋用量结构见表.从整体上来看,导则 计算的配筋量大于 抗规 配筋量,增加 的钢筋用量,钢筋用量的增加主要来自于梁和柱.主要是由于 导则 是按设防地震作用进行反应谱分析,地震力较多遇地震增加较多,通过增加减震装置后降低了地震作用,可达到地震时正常使用的抗震性能要求,抗震性能得到较大的提高,虽然增加了一定的用钢量,但是增加的钢筋用量在可接受的范围内.表钢筋用量构件名称 抗规/t 导则/t差值/梁 板 柱 总计 结论本文对比分析了现行规范和基于正常使用的相关规范在减震设计时的三个方面.以达到设防地震时能够满足正常使用要求为抗震性能目标,以混凝土框架减震结构为研究对象,减震装置采用黏滞阻尼器,采用 导则 的减震设计方法,通过对小震和中震作用时层间位移角的分析,确定了框架减震结构的主要控制指标;对比分析了基于 导则 和 抗规 设计时钢筋用量的差别.本文的研究成果可为减震结构的设计提供参考.主要结论如下:()总结了现行减震设计规范和基于地震时正常使用的规范或地方标准,主要为:抗震设防目标不同、设计控制指标不同、抗震承载力计算方法不同.()在多遇地震时能够为结构提供 的附加阻尼比,设防地震下阻尼器能够为结构提供 的附加阻尼比,从结果来看,多遇地震时附加阻尼比更大,若按 抗规 设计时,地震作用可降低更多,钢筋用量可节省更多.()多遇地震作用时,X向最大层间位移角为/,Y向最大层间位移角为/,远小于 抗规 限值/;设防地震作用时,X向最大层间位移角为/,Y向最大层间位移角为/,接近 导则 限值/,说明结构构件截面较合理.对比多遇地震和设防地震作用下的层间位移角的富余度,说明结构控制指标主要为设防地震作用时的层间位移角.()通过对楼面加速度计算结果可看出,楼层越高,楼面加速度越大.由于减震结构附加阻尼比较小,降低地震作用有限,较难满足 导则 对楼面加速度的要求.当不满足时,一方面可以进一步增加附加阻尼比,减少地震反应,另一方面可以对不满足楼层的非结构构件进行抗震验算,采取加强非结构构件的措施,保证非结构构件地震时可正常使用.()按 导则 计算的配筋量比按 抗规 计算的配筋量增加 ,主要是由于 导则 是按设防地震作用进行反应谱分析,地震作用较多遇地震增加,通过增设减震装置降低了地震作用,可达到地震时正常使用的抗震性能要求,虽然增加了一定的用钢量,但是增加的幅度在可接受的范围内.参考文献张钰,李鑫,张立成剪力墙结构三种典型黏滞型消能减震设计方案对比分析J建筑结构,():中华人民共和国住房和城乡建设部 基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则 征求意见稿(E B/O L)()(下转第 页)抗震研究KANGZHENYANJ IU王成建,等:建筑工程机电设备隔振减震技术应用现状研究 工程与建设 年第 卷第期法进行改进,提出了一种自适应广义预测控制算法,提高了隔振效果.隔振减震技术存在的问题被动隔振技术常用的金属弹簧、橡胶和空气弹簧在隔振时效果良好,但是当地震来临时效果并不理想.由于地震的频率较低很容易与设备发生共振,这就导致被动隔振器容易损坏.也有在被动隔振技术中添加阻尼装置来消耗地震能量,但是经常采用的黏滞阻尼器会造成隔振效果下降、设计更加复杂和成本增加的问题.半主动隔振技术也存在着一些问题.常规的变刚度隔振技术抑振频带窄,且开关控制对设备的加速度削减效果并不理想.变阻尼隔振技术只有设备动力反映远离共振区时隔振效果较好,且与对应的被动阻尼控制并没有明显的提高,成本却比被动隔振技术要高.主动控制技术需要外部输入能量,属于外力控制.主动隔振技术成本高、技术复杂,在地震作用下无法保证外部能源的正常供给,一旦外部能源出现问题则主动隔振技术就无法正常发挥作用,可靠性和稳定性较差.在隔振技术发展上,目前我国的隔振减震技术水平较发达国家仍有一定差距,建筑设备中使用最广泛的是被动隔振技术,在地震来临时常会出现隔振器失稳破坏,丧失隔振功能.在被动隔振技术中采用阻尼装置增加了地震下耗能装置,但是正常状态下的隔振性能受到影响,也导致成本上升.半主动隔振技术和主动隔振技术由于成本更高,建筑机电设备中使用较少.但随着国家对抗震防灾工作的重视和技术宣传普及度的提高,未来减振隔震技术的发展以及减震结构的推广使用是毋庸置疑的.总结和展望本文针对目前的隔振减震技术,总结了目前设备振动的原因及存在的问题、目前的隔振减震技术及存在的问题,基于此给出的总结与展望如下:()造成设备振动的原因较多,设备设计时应避免设备自振频率与结构频率接近,同时需要提高制造和安装工艺.()目前采用最多的被动隔振技术在地震作用时容易发生损坏,需要采用更加经济合理的耗能装置来提高地震下的性能.()半主动隔振技术和主动隔振技术隔振效果较好,但技术复杂、成本更高,在建筑设备中使用较少.随着国家技术发展水平的提高,更高性能与经济性的隔振减震技术的推广是必然的.参考文献程智卿大型火力发电厂循环水泵系统与基础结构振动性能分析D西安:西安建筑科技大学,张凯辉超高层建筑机电设备噪声与振动消除措施的应用探讨J广东科技,():满祥,庞茂龙,郑晓通,等被动式建筑机电设备减震降噪工艺J安装,():刘海卿,杨雪,李忠献地震作用下建筑物内重要设备半主动减震控制J自然灾害学报,():汪东林,蒋翔水泵振动的原因及 消除措施J给水排水,():刘占辉,卢一兵,刘静宇,等引风机叶片磨损引起振动及失速的诊断处理J热力发电,():黄伟,张同亿,胡明祎,等某医院动力设备引起建筑结构振动传递测试研究J建筑结构,(S):宋志峰考虑机械振动的风机设备两种隔震方案对比探析J工程抗震与加固改造,():李海涛,李佳,贺华,等橡胶隔振器冲击特性的试验研究J噪声与振动控制,():,L E EJ F r e ev i b r a t i o na n a l y s i so fc y l i n d r i c a lh e l i c a ls p r i n g sb yt h ep s e u d o s p e c t r a lm e t h o dJ J o u r n a l o f S o u n da n dV i b r a t i o n,(/):李阳,缪骞,谢宝玲,等蝶形弹簧减震支座的减震原理综述J企业技术开发,():莫荣利,谢建藩,杨军空气弹簧隔振性能及试验研究J噪声与振动控制,():HR OVA T D,B A R AK P,R A B I N S MS e m i a c t i v ev e r s u sp a s s i v eo ra c t i v e t u n e dm a s sd a m p e r s f o r s t r u c t u r a l c o n t r o lJJ o u r n a l o fE n g i n e e r i n gM e c h a n i c s,():KO B O R IT,T AKAHA S H IM,NA S U TD y n a m i c sl o a d i n gt e s to fr e a ls c a l es t e e l f r a m e w i t h a c t i v e v a r i a b l es t i f f n e s sd e v i c eJJ o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g B,:李松基于静压气浮与音圈电机复合支承的主动隔振系统的研究D哈尔滨:哈尔滨工业大学,王社良,巨生国,苏三庆形状记忆合金的动力响应特性及振动控制J西安建筑科技大学学报(自然科学版),():张春良微制造平台振动主动控制研究D杭州:浙江大学,(上接第 页)中华人民共和国住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫总局建筑抗震设计规范:G B S北京:中国建筑工业出版社,中华人民共和国住房和城乡建设部建筑消能减震技术规程:J G J S北京:中国建筑工业出版社,中华人民共和国住房和城乡建设部建筑抗震设计规范(局部修订条文征求意见稿)(E B/O L)()北京市规划和自然资源委员会 建筑工程减隔震技术规程(征求意见稿)(E B/O L)()河 北 省 住 房 和 城 乡 建 设 厅建 筑 工 程 消 能 减 震 技 术 标 准:D B(J)/T S 云南省住房和城乡建设厅建筑消能减震应用技术规程:D B J/T S昆明:云南科技出版社,