• 减震隔震技术应用背景

• 工程概况​

• 消能减震构件介绍

        本工程主要采用屈曲约束支撑和黏滞阻尼墙两类消能减震构件。  
      （1）屈曲约束支撑
        屈曲约束支撑是通过钢材的轴向拉压来消耗能量的元件，由内芯和约束部件构成。屈曲约束支撑既可以避免普通支撑拉压承载力差异显著的缺陷，又具有优良的耗能能力，充当主体结构中的“保险丝”，使得主体结构基本处于弹性范围内，可以全面提高传统的支撑框架在中震和大震下的抗震性能。对于有耗能需求的建筑，屈曲约束支撑的使用一方面需要有足够的层间变形，另一方面需要有布置空间。屈曲约束支撑的基本构造如图所示。支撑的中心是钢芯，钢芯在工作时仅承担拉、压力，截面形式一般有一字形、十字形、H形、工字形以及矩形等，常见的为十字形。为避免钢芯受压时整体屈曲，即在受拉和受压时都能达到屈服，钢芯被置于一个钢套管内，然后在套管内灌注混凝土或砂浆。在芯材和砂浆之间设有一层无粘结材料或非常薄的空气层，允许钢芯在外包材料中伸缩。       （2）黏滞阻尼墙  
        黏滞消能器是根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生黏滞阻力的原理而制成的，是一种与刚度、速度相关型消能器。一般由油缸、活塞、活塞杆、衬套、介质、销头等部分组成，活塞可以在油缸内作往复运动，活塞上设有阻尼结构，油缸内装满流体阻尼介质。当外部激励（地震或风振）传递到结构中时，结构产生变形并带动消能器运动。在活塞两端形成压力差，介质从阻尼结构中通过，从而产生阻尼力并实现能量转变（机械能转化为热能），达到减小结构振动反应的目的。黏滞阻尼墙具有速度相关性，可在不改变结构刚度分布，具有耗能能力强、外形美观等诸多优点，在建筑工程领域得到广泛运用。       （3）阻尼器分布  
        结合建筑平面，在原结构设置黏滞阻尼墙和防屈曲支撑，在主楼首层和二层外墙上布置屈曲约束支撑，在首层到五层设置黏滞阻尼墙。主楼共设置了44个黏滞阻尼墙和32个屈曲约束支撑。其中：
        X向共布置黏滞阻尼墙22个，屈曲约束支撑16个；
        Y向共布置黏滞阻尼墙22个，屈曲约束支撑16个。

• 分析软件

        弹塑性分析软件采用由北京市建筑设计研究院自主研发的非线性结构分析软件Paco，采用精细有限元模型对结构进行非线性分析。软件具有如下特点：  
      （1）丰富的数据接口。Paco以自身开放的模型数据库作为中转平台，开发了各种专业软件的模型转换接口，可有效避免重复建模所带来的额外工作量，显著提高工作效率。
      （2）高质量的网格划分，支持非协调网格。Paco内置了专业的四边形网格划分算法，该算法具有良好的通用性，可显著提高剪力墙和楼板的应力精度。此外，Paco支持非协调网格，进一步提升单元尺寸稳定性。
      （3）非线性连梁可布置交叉斜筋，Paco提供对壳单元任意布置钢筋，无需钢筋端点是壳单元边界点，可考虑连梁钢筋保护层，也可用于交叉筋布置，相较于传统连梁边界钢筋有更好的适用性。
      （4）支持非线性施工模拟，Paco支持完全非线性的施工模拟，准确考虑竖向荷载下的结构损伤。
      （5）支持显式及隐式弹塑性动力时程分析，多种计算方法可以兼顾用户对于计算效率，收敛性的要求。

• 计算模型

        Paco可直接导入设计软件的计算模型，并导入相关构件配筋信息。下图为导入后的Paco计算模型。         精确计算模型是进行设防地震时程反应的基础，因此，在设防地震弹塑性时程分析之前，首先进行了模态分析，用来校核模型转换的准确程度。下表为Paco模型和设计软件的质量和周期对比结果。    

	Paco	设计软件	相对差值
质量/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%

• 地震波选择

          罕遇地震计算过程中结构固有阻尼比取0.03。采用RSN1164、RSN2900、L991三组地震波，其中RSN1164、RSN2900为天然波，L991为人工波。在罕遇地震作用下，地震波的水平两方向和竖地震波峰值加速度比为1:0.85:0.65，罕遇地震加速度峰值取510Gal。   
        结构计算时共分6个工况，RSN1164XY、RSN1164YX、RSN2900XY、RSN2900YX、L991XY、L991YX。Paco计算效率非常高，在采用RTX3080Ti的电脑上进行弹塑性分析计算，工况L991XY仅需4分15秒左右，所有6个工况计算时间总时间仅需57分钟。

• 结构位移

         Paco可以给出结构的层位移和层间位移角结果。
       （1）结构各层最大位移
         下图分别给出了各工况罕遇地震作用下X向和Y向的最大位移曲线。结构的X向最大位移为0.284m，Y向最大位移为0.311m。        （2）结构各层最大层间位移角
       下图分别给出了各工况罕遇地震作用下X向和Y向的最大位移曲线。结构的X向最大层间位移角为1/116，Y向最大层间位移角为1/103,均小于1/50。

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• ​消能器地震反应

        Paco软件可以给出消能器的滞回曲线、内力、耗能、附加阻尼比等结果。
     （1）黏滞流体消能器地震反应
       下图是Paco给出的在罕遇地震时，X向和Y向地震作用下部分黏滞阻尼墙的滞回曲线。经统计，黏滞阻尼墙的最大出力为774kN，小于阻尼墙产品的最大出力，阻尼墙最大行程为41mm，满足设计要求。同时如图所示，黏滞阻尼墙滞回曲线饱满，在罕遇地震下保持良好的耗能减震性能。      （2）屈曲约束支撑地震反应
        下图是Paco给出的在罕遇地震时，X向和Y向地震作用下部分屈曲约束支撑的滞回曲线。经统计，屈曲约束支撑的最大出力为5742kN，最大位移为26mm，满足设计要求。同时如图所示，屈曲约束支撑滞回曲线饱满，在罕遇地震下保持良好的耗能减震性能。

• 与消能器相连钢框架地震反应

        Paco软件可以给出钢支撑的损伤，并依据损伤给出性能水平。下图是Paco给出的与消能器相连的框架应变损伤分布，与消能器相连的框架梁总体处于无损坏和轻微损坏的状态，少量钢柱底部进入塑性，但钢柱总体仍具有较高承载能力。综合以上分析，说明与消能器相连的框架梁能够满足极限承载力要求。

• 钢支撑性能水平

       下图是Paco给出的多工况包络损伤和性能水平图，可以看出，大部分钢支撑处于无损坏的状态，部分钢支撑进入轻微损坏和轻度破坏的性能状态，总体来说，钢支撑总体还具有较高的剩余承载力，满足既定的性能目标。

• 屋盖支撑地震反应     

        大震作用时屋盖支撑的损伤如下图所示，可以看出，屋盖钢支撑罕遇地震中保持弹性，屋盖支撑构件在罕遇地震作用下无损坏性能水平，由此保证了罕遇地震下屋盖钢结构重力荷载可以安全地传递给周边框架结构。     

• 主体框架地震反应

         Paco给出的钢框架梁损伤状况如下图所示，可以看出，大部分钢梁处于无损坏的状态，部分钢梁进入轻微损坏和轻度破坏的性能状态，对应钢梁进入开始塑性状态但并未充分发展，此时可有效降低结构刚度，从而减小整体结构在罕遇地震下的地震剪力。少部分屋面钢梁塑性发展程度较大，但屋面梁的破坏对主体结构承载力影响较小。综合上述分析，总体来说，具有较高的剩余承载力，满足大震不倒的抗震设防要求。             钢框架柱损伤如下图所示，可以看出，整体结构大部分钢柱处于无损坏性能水平，少量出现损伤的钢柱的平均损伤因子保持在较低的水平，属于轻微损伤和轻度破坏。综合考虑各工况下的钢框柱的地震反应，未出现某层连续贯通的塑性铰，说明钢柱在大震下不会产生倒塌，满足“大震不倒”的抗震设防目标。

• 楼板地震反应

        Paco可以给出混凝土的拉压损伤情况。下图是Paco给出的楼板混凝土受压损伤及性能水平图。可以看出，整体结构混凝土楼板的损伤保持在较低水平，大部分楼板处于无损状态，少量区域楼板处于轻度破坏的性能水平，说明楼板结构在大震下仍能保持整体性，确保地震时水平剪力的顺利传递。   

• 弹性与弹塑性分析结果对比

        利用Paco计算效率高的特点，额外计算了罕遇地震弹性时程分析的结果，与弹塑性结果对比如下。  
      （1）层剪力对比
        下图给出了6个工况弹性时程分析和弹塑性时程分析的楼层剪力包络值对比，结果表明，罕遇地震弹塑性时程分析的到的结构层剪力约为弹性时程分析结构层剪力的90%。       （2）顶点位移时程对比
        如下图所示，以人工波L991为例，给出了本项目结构定点在罕遇地震弹性和弹塑性时程分析时位移时程曲线对比结果。可以看出，结构周期没有显著延长，说明刚度退化不算明显，整体结构损伤不大。

• 分析结论

        根据动力弹塑性时程分析结果，对结构的抗震性能评价如下：   
      （1）结构X向最大位移值为0.284m，结构Y向最大位移值为0.311m，X向最大层间位移角为1/116，Y向最大层间位移角为1/103。结构X向层间位移角及Y向层间位移角均未超出规范限值1/50。
       （2）结构钢支撑总体处于无损坏和轻微损坏的性能状态；钢柱总体处于无损坏和轻微损坏的性能状态，在大震下还具有较高的剩余承载能力；大部分钢梁处于无损坏的状态，部分钢梁进入轻微损坏和轻度破坏的性能状态，对应钢梁进入开始塑性状态但并未充分发展，少数屋面梁进入塑性程度较大但不影响结构整体承载能力；屋盖钢结构支撑保持弹性，可确保屋盖重力荷载安全传递给四周框架；总体来看，整体结构未出现连续贯通的塑性铰，满足“大震不倒”的抗震设防目标。
      （3）各工况下与消能器相连的框架梁总体处于无损坏和轻微损坏的状态，少量钢柱底部进入塑性，但钢柱总体仍具有较高承载能力，说明与消能器相连的框架梁能够满足极限承载力要求。
      （4）黏滞阻尼墙与屈曲约束支撑的滞回曲线饱满，在大震下起到充分的消能减震作用，黏滞阻尼墙和屈曲约束支撑的最大输出力和最大行程均满足产品性能要求。
        综上，通过分析论证，本结构能够满足“大震不倒”的设防目标。