上海某学校结构减震方案对比研究

上海某学校结构减震方案对比研究

刘健 ,盛棋楸 ,孙丰

上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海 200120

摘要：以上海某学校一栋多层框架结构教学楼为例，分别应用屈曲约束支撑(BRB)和黏滞阻尼器(VFD)作减震设计。经综合比较，最终选择采用VFD方案。分析表明，采用该方案相比传统抗震设计能减少材料用量，优化结构指标，提高结构抗震性能。相比BRB，VFD具有耗能早、不影响结构刚度、对建筑影响较小，总造价较低等优势，是一种兼顾技术性和经济性的良好选择。

关键词：框架结构；减震设计；屈曲约束支撑；黏滞阻尼器

Comparison on energy dissipation analysis of a schoolin Shanghai

LIU JianSheng Qiqiu  Sun Feng

(Shanghai Pudong Architectural Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China)

Abstract：Taking the multi-layer frame structure of a teaching building in Shanghai as an example, buckling-restrained brace (BRB) and viscous fluid damper (VFD) are used in the seismic energy dissipating designation. After comprehensive comparison，VFD plan was finally determined. The analysis shows that compared with the traditional seismic design, this plan can reduce the amount of material, optimize the structure parameters and improve the seismic performance. Compared with BRB, VFD has the advantages of earlier energy consumption, no affect on the structural stiffness, less affect on the architectural features and lower total cost. It is a good choice for both technical and economical aspects.

Keywords:framestructure; energy dissipation design; buckling-restrained brace;viscous fluid damper

0 引言

随着科学技术水平的提高和国民经济的发展，我国对重要建筑的防震减灾能力提出了更高的要求，根据《建设工程抗震管理条例》规定，上海地区学校应按照国家有关规定采用隔震减震等技术，保证发生本区域设防地震时能够满足正常使用要求。

减震技术的主要原理就是通过在建筑中设置消能器来耗散地震引起的能量，进而减轻结构的地震反应，避免其在地震中发生破坏。消能器的类型和连接方式多种多样，屈曲约束支撑（BRB）、黏滞阻尼器（VFD）是最常使用的两种减震装置。

本文以上海某学校一栋典型的多层教学楼为例，分别应用这两种消能器作减震设计，使结构满足条例规定。通过分析结构在地震下的各项参数指标，对比研究两种减震方案的优劣，选取合理的减震技术，为类似工程减震方案的比选提供借鉴。

1 工程概况

上海市某新建小学项目包含教学1号楼、教学2号楼、实验楼、行政楼、风雨操场等建筑单体，总建筑面积19097㎡。本文以教学2号楼为研究对象，该建筑为地上4层，首层建筑层高4.50m，2~4层层高均为4.20m,建筑高度为18.65m。建筑总平面尺寸为54.9m×12.3m，主要功能为普通教室。

该结构采用装配整体式钢筋混凝土框架体系，主要设计参数为：设计基准期50年，结构安全等级为一级；抗震设防类别为重点设防类；抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别IV类；场地特征周期为0.9S；50年重现期基本风压0.55KN/m2，地面粗糙度B类。

2减震目标

结合现行相关规范要求，确定结构不同抗震水准下性能目标见表1。

                   表1  性能目标             

本工程使用YJK4.0进行反应谱分析，使用PERFORM-3D进行弹塑性分析。结构设计取规范规定的小震反应谱和中震反应谱设计两者包络，补充设防地震和罕遇地震下的弹塑性分析，对各构件在地震下的工作性能做出评估，使其满足既定的性能目标。

3减震方案比选

3.1减震方案一

方案一采用耗能型屈曲约束支撑（BRB），人字形布置，其利用约束芯材的拉压屈服进行耗能，是一种位移型消能器。BRB主要力学参数为：芯板钢材Q235，屈服承载力取1200KN。

考虑对结构刚度的影响，其平面布置见图1，立面示意见图3。BRB布置在地上1~3层，共设置15组。计算时考虑BRB在多遇地震作用下保持弹性，在设防地震和罕遇地震作用下进入屈服耗能。

图1 BRB平面布置图

3.2 减震方案二

方案二采用黏滞阻尼器（VFD），墙式连接，其利用黏滞材料运动时产生黏滞阻尼力来耗散地震能量，是一种速度型消能器。主要力学参数为：阻尼系数50kN-(s/mm)α，阻尼指数0.3，设计阻尼力250KN，设计容许位移30mm。考虑结构特点和建筑效果，其平面布置见图2，立面示意见图4。VFD布置在地上1~3层，共设置15组。按时程能量法计算，多遇地震、设防地震和罕遇地震下VFD为结构附加阻尼比分别为为2.73%、 3.57%和3.38%。

图2 VFD平面布置图

图3 BRB立面示意图      图4 VFD立面示意图

3.3 方案对比及选择

为方便对比传统抗震结构与减震结构之间的差异，分以下四种情况做分析对比：结构一为基于小震设计的普通结构；结构二为基于中震设计的普通结构；方案一为基于中震设计的BRB减震结构；方案二为基于中震设计的VFD减震结构。

经计算调整，各结构在不同水准地震作用下的计算结果均满足规范要求和性能目标，统计结构工程量对比见表2，主要指标对比见表3~5。

表2  结构工程量对比

表3  动力特性对比

表4  位移角及扭转位移比对比

表5  底部地震剪力对比

由此，对减震方案的对比可总结以下几点：

（1）采用传统抗震方法作中震设计,结构混凝土用量较小震设计增加12.3%，钢筋用量增加33.9%。采用减震方案后则显著减少了材料用量，方案一、二混凝土用量相对小震设计增加0.90%、6.6%，钢筋用量增加10.0%、18.7%。故基于中震设计的减震结构合理的设计方法为：适当提高结构刚度和强度，适量使用消能器减震。

（2）各减震方案计算参数指标均满足规范要求，经弹塑性分析，结构满足既定的抗震性能目标，其位移角、地震剪力等指标均得到有效改善，故两种减震方案均可行。

（3）BRB布置影响了建筑立面，部分教室开窗、采光受影响，这也是业主关切的重点，而VFD墙式布置可隐藏在建筑隔墙内部，对建筑影响较小。从对建筑外观和使用的影响来看，方案二优势明显。

（4

）方案一主体结构造价比方案二少18.33万元，但BRB消能器费用（包含产品、检测、节点和安装等费用）比VFD高出23.79万元，结构总造价上方案二比方案一更经济。

（5）BRB附加刚度较大，方案一相对方案二结构增加不少刚度，其周期较小，中震下底部地震剪力相对方案二大了约17.3%。而VFD不提供附加静刚度，不增加原结构的地震作用，更有利于结构的抗震设计，在这一点上，方案二更优。

（6）方案一在规定水平力下，BRB的底层地震倾覆力矩占比为X向25%，Y向35%。方案二在中震下，设VFD减震时相对不设VFD时底层地震剪力X向减少了15.5%，Y向减少了15.9%。计算表明，小震下VFD就开始耗能，减震效果明显，BRB则只提供刚度，但随着地震强度增加，在中、大震下，BRB进入屈服后，其减震效果更好。

（7）BRB布置在合理位置，可改善结构刚度分布，增加结构抗扭、抗侧刚度。方案一扭转周期比、位移比也更小。但也需注意，如果BRB布置位置不合理会增大结构扭转效应，进而加大楼层位移，影响减震效果，故其对设计的要求更高。

（8）消能器在正常使用过程中一般都是免维护和更换的，宜每隔10年或二次装修时进行目测检查。BRB设计使用年限为50年，VFD为30年，在达到年限后应定期进行抽样检验，根据情况进行维修或更换部件。在维护成本上，方案一相对更低。

综合考虑，本工程最终选定了方案二黏滞阻尼器作为结构的减震技术方案。

4结论

该上海地区学校工程按照《建设工程抗震管理条例》规定采用减震技术，并基于设防地震进行结构设计。经综合比选，最终选择采用黏滞阻尼器减震方案。通过合理布置阻尼器，使结构满足规范要求和既定的性能目标。相比传统抗震设计，该方案能有效减少材料用量，优化结构指标，提高结构抗震性能。相比BRB，VFD具有耗能早、不影响结构刚度、对建筑外观和使用的影响较小、结构总造价较低等优势，是一种兼顾技术性和经济性的良好选择，具有较大的社会效应和广泛的应用前景。

参考文献

[1] GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[2] DGJ08-9-2013,建筑抗震设计规程[S].上海:上海市建筑建材业市场管理总站,2013.

[3]DG/TJ08-2326-2020, 建筑消能减震及隔震技术标准[S].上海:同济大学出版社,2020.

[4]JG/T209-2012, 建筑消能阻尼器[S].北京:中国标准出版社,2012.