河南省安阳市某医院减震结构设计

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所属分类:减隔震百科
本工程位于河南省安阳市,抗震设防烈度8度,设计基本地震加速度峰值为0.20g,设计地震分组第二组,II类场地, 场地特征周期0.40s。采用框架结构形式,地下1层,地上4层,建筑结构高度18.9m,长约50m,宽约25m。属于重点设防类,乙类建筑。

河南省安阳市某医院减震结构设计
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图1-1 工程效果图

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图1-2 工程三维模型及阻尼器布置示意图

工程设计

2.1

设计主要依据和资料

本工程减震设计所依据的主要规范、图集如下:

(1)《建筑抗震设防分类标准》(GB50223-2008);

(2)《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012);

(3)《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068-2018);

(4)《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)(2016版);

(5)《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(2015版);

(6)《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011);

(7)《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015);

(8)《工程结构通用规范》(GB55001-2021);

(9)《建筑与市政工程抗震通用规范》(GB55002-2021);

(10)《钢结构通用规范》(GB55006-2021);

(11)《建筑消能减震技术规程》(JGJ297-2013);

(12)《建筑消能阻尼器》(JGT209-2012);

(13)《建设工程抗震管理条例》。

2.2

结构分析与设计软件的选用

本工程采用PKPM结构2021版V1进行减震结构的建模与分析设计。该结构除中庭开大洞外整体规则,且高度小于60m,依据《建筑消能减震技术规程》3.3节和4.1节,可仅采用复振型分解反应谱法结合迭代计算的方法进行减震结构的设计工作,无需与时程分析进行包络设计。在PKPM软件中定义、布置消能器,设置性能目标、定义相关构件类别,计算有消能器和无消能器模型,可在一个模型里,一键实现包含消能子结构的多模型的性能包络设计。一级建造师考试培训www.itk3.com

减震设计

3.1

减震设计目标

本工程通过在房屋结构中设置速度相关型消能器,通过速度相关型消能器的相对速度提供附加阻尼,以消耗输入结构的地震能量,达到预期的防震减震要求。速度相关型消能器可以不显著改变结构的自振周期,而显著增加结构的阻尼,从而显著降低结构在地震作用下的外力和位移反应。

3.2

性能目标的选取

3.2.1

根据《建筑消能减震技术规程》中6.5.1要求:消能减震结构应结合建筑实际需求选择性能水准和性能目标;

3.2.2

《建设工程抗震管理条例》明确高烈度设防区、地震重点监视防御区的新建医院、学校、幼儿园等八类建筑采用减隔震技术,并且保证在设防地震时满足正常使用要求;

3.2.3

结合甲方、审图单位的意见,本项目位于8度区,使用功能为门诊楼,因此,暂定主体结构抗震性能目标为性能2。

3.3

减震设计参数

3.3.1 构件性能设计

构件类型

构件

承载力验算内容

中震

大震

关键构件

消能子结构

抗剪、抗弯弹性

极限承载力

普通竖向构件

普通框架柱

抗剪弹性、抗弯不屈服

承载力验算内容

普通水平构件

普通框架梁

抗剪、抗弯不屈服

承载力验算内容

变形验算(位移角)

1/300

1/50

表3.3.1 构件设计属性及验算内容

3.3.2 构件性能设计软件参数设置

如图3.3.2进行总信息参数设置,另外可以通过设置附加阻尼比折减系数考虑施工安装偏差等不可控因素的不利影响。

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图3.3.2 减震设计参数设置

3.3.3 构件性能目标指定及包络设计

如图3.3.3-1操作,在主模型下指定消能子结构的框架柱、框架梁按照表3.3.1中关键构件的要求设置性能目标(普通竖向构件、普通水平构件类似操作)。

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图3.3.3-1 指定构件性能目标

如图3.3.3-2操作即可实现有、无阻尼器模型和性能设计模型的包络工作,方便快捷;同时支持子模型的参数单独修改、设置,满足特殊设计的功能需求。

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图3.3.3-2 一键实现多模型包络设计

3.4

消能器的选取

3.4.1 阻尼器性能参数

类别

符号

单位

消能器

使用数量

N

34

阻尼系数

符号

KN(s/mm)^α

70

阻尼指数

符号

单位

0.2

刚度

符号

KN/m

0

表3.4.1  速度相关型消能器使用情况统计

3.4.2 阻尼器布置

如图3.4.2所示以首层阻尼器布置为例,遵循以下原则:

1)平面方向布置:阻尼器优先设置在楼梯间、机械室等核心筒周围的骨架中或着无门窗洞口位置,避免对建筑功能产生影响;

2)高度方向布置:阻尼器分散于各层布置,使结构整体弯曲变形减小,阻尼器更好的发挥作用;

3)形成多道防线,提高防范风险能力。咩票特价电影票www.miepiao.com共丢废品回收网www.gongdiu.com设计学徒自学网www.sx1c.com

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图3.4.2 首层阻尼器布置示意图

结构分析与计算

4.1

结构动力特性分析

振型

无阻尼器(s)

有阻尼器(s)

1

0.792

0.793

2

0.74

0.742

3

0.721

0.723

表4.1 有无阻尼器结构的周期

由上表可知,采用速度相关型阻尼器减震技术后,结构的周期基本保持不变,整体结构刚度未发生明显变化。

4.2

附加阻尼比

子模型

附加阻尼比(%)

X向

Y向

取值

小震有阻尼器

4.62

8.29

4.62

中震有阻尼器

2.38

4.21

2.38

大震有阻尼器

1.21

2.07

1.21

表4.2  附加阻尼比结果

由上表综合确定X、Y方向附加阻尼比取小值为最终减震结构的附加阻尼比。

4.3

层间位移角

子模型

位移角

X向

Y向

限值

小震有阻尼器

1/799

1/970

1/550

中震有阻尼器

1/304

1/301

1/300

大震有阻尼器

1/150

1/172

1/50

表4.3 结构层间位移角结果

由上表可知,减震结构在各级地震作用下的层间位移角满足《建筑消能减震技术规程》6.5.2的要求。

阻尼器滞回曲线

采用时程分析方法(FNA)选取5条天然波,2条人工波,进行补充验算,查看阻尼器滞回曲线,如图5.1所示;提供如图5.2所示能量图结果查看,可以清晰的查看各时期结构及阻尼器耗能情况。CAD软件素材教程下载www.9npx.com四五设计网www.45te.com设计学徒自学网www.sx1c.com

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图5.1 阻尼器滞回曲线示意图

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图5.2 能量图

结论

使用PKPM减震软件分析了减震结构在多遇地震作用下、设防地震作用下和罕遇地震作用下结构的地震反应,通过计算结果得出以下结论:

1)非减震结构的自振周期为0.792,减震结构的自振周期为0.793,自振周期未发生变化,小震下附加阻尼比取值为4.6%,大震下附加阻尼比取值为1.2%。

2)布置阻尼器后结构的层间位移满足规范要求,结构的层间剪力受到了较好的控制。

3)该工程采用减震方案是有效可靠的,通过增加结构的阻尼比有效减小了地震作用对结构的影响。

说明:本实例主要介绍了减震结构分析的相关参数设置与验算要点,关于减震结构的施工与维护,阻尼器的技术性能要求、检验、验收等内容,应按相应规范、规程、标准的要求进行实施。

作者:董书明      单位:机械工业第六设计研究院有限公司

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