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摘要：为了能够切实满足学校建筑大空间、高质量的使用需要，学校建筑一般会选用框架结构形式；本文以高烈度区学校建筑为对象，指出了诸如超筋严重、梁柱截面尺寸过大等设计难点，提出了剪切型软钢阻尼器与防屈曲耗能支撑的组合方案。且结合工程项目实例，就传统方案与消能减震方案的优缺点进行比较，最终结果表明，消能减震方案除了不会对建筑使用功能造成影响之外，还能大幅提升结构的抗震性能，相比于传统方案，成本更低。
关键词：高烈度区；学校建筑；消能减震技术
现阶段，国家已出台政策性文件，明确要求将医院、学校等人员密集场所建成质量可靠、安全舒适的地方，也就是合理化、高水平的提升建筑结构的抗震设防要求。而提升设防烈度，往往会对结构设计带来新的、更多且更加严峻的难题。针对传统形式的抗震设计来讲，其主要是通过增强结构自身的抗震性，以此来达到抵抗地震的目的，此种方法除了在安全性方面无法得到切实保证之外，而且还有着较好的经济投入，经济性欠佳。所以，消能减震技术作为一种不仅安全而且经济的新型技术应运而生，消能减震是建筑设计建造的重要指标，同时也是建筑结构能否得到合理规划的关键技术，其主要通过在结构上加设消能部件，给结构附加有效阻尼，用此种方式来最大程度减小结构的地震作用。最新颁布的《建筑抗震设计规范》明确指出，消能部件由各种支撑构件组成，如梁、墙体、斜撑、消能器等，效能器可选用的类型多样，如位移相关型、速度相关型等。针对主要采用框架结构的学校建筑而言，其通过位移相关型阻尼器的应用，除了能使结构刚度增加之外，还能增加其阻尼，因而可以从中得到更加的减震、效能效果。云南省出台政策性文件，明确要求设防烈度7度以上的医院、学校等人员密集场所应采用隔震减震技术，从而云南省高烈度区学校建筑中消能减震技术的运用得到大力推广。
1、项目概述
某工程为某市小学教学楼，整体结构形式采用的是框架体系，结构层一共有5层，其中，地上有4层，地下为1层；设防地震分组为第三组，设防烈度9度，即0.40g；周期折减系数为0.85；场地类别是Ⅱ类。
2、设计方案的选择
2.1传统方案
针对此教学楼而言，其整个长度为64.5m，宽为19.2m，长度与宽度比值>3，受此影响，造成两个方向的刚度比存在较大差别，且有着比较明显的结构扭转效应；该项目设防烈度是9度，即0.40g，如果运用的是框架体系来满足相关设计要求，那么结构的梁柱截面会比较大，即柱截面大约是1200mm×1200mm，因而会对建筑的整体使用功能造成较大影响，如果需要改用框架体系，依据标准的建筑布局，则建筑水平长度方向由于均为典型的大开间教师，因此，在布置剪力墙时便会受到比较大的影响，而在勉强事态下所布置的剪力墙，均为短支剪力墙，存在严重的超筋情况，而剪力墙需贯通上下楼层，现实操作难度较大。
2.2消能减震方案
2.2.1消能减震方案的选择
由于此项目如果运用传统方案来进行设计，那么在实际操作中会存在诸多难点与问题，因此，经综合考量，最终选用消能减震技术，通过此技术的运用，除了能够合理调整结构刚度之外，而且还能适当性增加结构的阻尼，大幅降低地震力的影响与作用。（1）基于结构层面来考虑。由于结构于X方向（即长边方向）有着比较大的刚度，而在Y方向（即短边方向），其有着比较小的刚度，如果在结构设计中选用的是同种效能器，则结构依然有上述两个方向刚度差别比较大的突出问题。因此，在设计时，在有着比较大结构刚度的方向（X方向），添加以提供刚度为辅及提供阻尼为主的效能器，该项目选用的是典型的剪切型软钢阻尼器；于刚度比较小的一侧（Y方向），考虑选用最新型的防屈曲耗能支撑（BRB），这样除了能增加结构的刚度之外，还能增加结构的附加阻尼。（2）基于建筑层面来考量。如果选用的是同一种减震产品，比如防屈曲耗能支撑，那么会对建筑长方向的建筑使用造成一定影响，而且还会影响到开窗，在外观上也会出现瑕疵，不美观；如果单纯选用剪切型阻尼器，会由于產品屈曲之后刚度不佳，而造成结构Y向刚度仍然难以满足规范规定与要求。因此，最终选定X方向选用剪切型软钢阻尼器与Y方向选用防屈曲耗能支撑的组合方案。
结合上述建筑因素、结构因素，该项目最终选用的是阻尼器与支撑相组合的方案：（1）在隔墙比较多且结构刚度比较小的Y方向，专门布设防屈曲耗能支撑，这样一来，便能够显著提升建筑结构的刚度及附加阻尼；而且可以在隔墙中布置BRB支撑，不会对建筑使用造成太大影响。（2）在仅有少量窗间墙及结构刚度比较大的X方向，则布设剪切型软钢阻尼器，主要作用就是增加阻尼，减小地震力。剪切型软钢阻尼器与防屈曲耗能支撑依据建筑的基本结构特点及建筑使用情况，沿两个方向来布置，尽可能布置于有较大变形的位置，数量明确后，使结构获得更加均匀的受力体系。此外，改善并优化罕遇地震、设防地震及多遇地震下结构的各项性能，以此来更好的满足规范要求。
2.2.2消能减震方案的布置
布置消能器的方式主要有：（1）在各层X向，均设置阻尼器8个，而在Y向上，设置支撑8个；（2）第2标准层的Y方向支撑屈服力为500kN，第3标准层Y方向支撑屈服力为350kN，第2标准层X方向阻尼器屈服力为300kN，第3标准层X方向支撑屈服力为250kN；第4标准层Y方向的支撑屈服力为300kN，X方向阻尼器屈服例为200kN，由于PKPM软件当中并无效能器单元，因此，BRB运用普通支撑对其刚度进行模拟；而阻尼器则用等效柱形式对其刚度进行模拟，对于附加阻尼来讲，可以通过对结构总阻尼进行更改，来对其刚度进行模拟；（3）结构固有阻尼比为5%，结构阻尼比为11.88%。
2.3计算内容
针对消能减震方案来讲，本文主要进行如下内容的操作：（1）计算附加阻尼比；（2）于静力弹塑性下，对大震下结构性能进行分析；（3）比较消能减震方案与传统方案的经济性。 3、计算结果
3.1附加阻尼比计算
3.1.1附加阻尼比计算原理分析
依据最新颁布的《建筑抗震设计规范》中相关规定，建筑结构地震影响系数曲线的阻尼形状与调整参数，需要与下列要求相符：不仅要有专门固定，而且建筑结构的阻尼比需设定为0.05，在调整地震影响系数曲线的阻尼系数时，应该按照1.0来采用，在形状参数方面，应该与下列规定相符：（1）直线下降段，从5倍特征周期到6s区段，应将下降斜率调整系数设定为0.02；（2）曲线下降段，从特征周期到5倍特征周期区段，取衰减指数0.8；（3）直线上升段，周期<0.1s的区段；（4）水平段，从0.1s到特征周期区段，取最大值（[αmax]）。
3.1.2附加阻尼比结果
依据上述方法。把消能减震方案中的附加阻尼比计算出来，所得附加阻尼比为：X向6.88%，Y向8.71%，取值6.88%。X方向附加阻尼比计算过成：阻尼器编号为SF-MDX-1-1的阻尼器出力为272.10kN，阻尼器位移为5.02mm，阻尼器耗能为4004.08Wci；SF-MDX-1-2的阻尼器出力为267.39kN，阻尼器位移为4.91mm，阻尼器耗能为3864.10Wci；SF-MDX-1-3的阻尼器出力为252.19kN，阻尼器位移为4.63mm，阻尼器耗能为3437.29Wci；SF-MDX-1-4的阻尼器出力为268.78kN，阻尼器位移为4.93mm，阻尼器耗能为3904.67Wci；SF-MDX-1-5的阻尼器出力为264.89kN，阻尼器位移为4.86mm，阻尼器耗能为3792.19Wci；SF-MDX-1-6的阻尼器出力为269.59kN，阻尼器位移为4.95mm，阻尼器耗能为3727.95Wci；SF-MDX-1-8的阻尼器出力为267.19kN，阻尼器位移为4.90mm，阻尼器耗能为3858.33Wci。当结构总阻尼为11.88%时，消能减震结构最大层间位移角X方向使1/593，而Y方向时1/566，与设计规范相关要求相符。
3.2经历弹塑性分析结果
之所以开展静力弹塑性分析，最终目的在于：（1）在罕遇地震作用下，对结构在薄弱层弹塑性变形情况进行检验；（2）对层间弹塑性位移是否<1/50进行验算（抗震设计目标），并且对结构有无薄弱层进行详细判断与论证，另外，判定其薄弱层所处位置及薄弱程度，以及其对整个结构所产生的影响；（3）深入了解结构塑性铰所具有的形成规律，判断罕遇地震作用下，结构所具有的抗倒塌能力。运用MIDAS/Gen开展此静力弹塑性分析，获得结构静力弹塑性分析曲线。由所得曲线得知，于罕遇地震力作用下，需求谱与结构能力谱之间存在交叉点，由此表明，结构大震性能与相关规范要求相符，针对X方向而言，其最大的弹塑性层间位移角是1/112，与规范的1/50要求相满足；而在大震性能点位置处，塑性铰竖向分布整体上比较均匀，没有出现塑性铰在个别楼层过于集中的情况，另外，需指出的是，塑性铰程度都 通过对Y方向最大弹塑性层间位移角进行计算，得知其为1/99，与该工程抗震设计目标（1/50）相比，明显偏小。而在Y向大震性能点位置处，塑性铰同样没有出现分布过于集中的情况，并且塑性铰在程度上也 3.3经济性比较
通过拿消能减震方案与传统设计方案进行比较，且套路标准建筑定额，传统方案所需花费的土建成本为350万元，而消能减震方案的土建成本是200万元，另外，阻尼器购买及安装费用大约为70万元，一共花费270万元。由此可知，结构成本节省幅度可以达到80万元，因而可以大幅节省成本支出；与此同时，由于柱截面得到大幅减少，取消了剪力墙，因而可以一定程度增加有效使用面积。
4、结语
综上，超高烈区学校建筑通过消能减震技术的运用，总体效果较好，经济性佳，能够在土建造价上减少10%～20%。另外，高烈度学校建筑通过消能减震技术的使用，能够使结构在抗震性能上得到强化，尤其时大震下的抗震性能。还需指出的是，通过与学校建筑的特点相结合，综合运用剪切型软钢阻尼器与防屈曲支撑，不但不会对建筑使用造成影响，而且还能一定程度增加使用面积；在保障建筑使用方便以及结构性能的情况下，效能减震方案相比与传统方案，优势更为明显。
参考文献：
[1]许楚平. 高烈度地震区结构隔震和消能减震设计[J]. 浙江建筑， 2016， 33（11）：16-20.
[2]张超， 翁大根， 吕西林，等. 消能减震技术用于C类框架学校建筑提高一度抗震设防加固的探讨[J]. 防灾减灾工程学报， 2012（4）：20-28.
[3]高杰， 薛彦涛， 徐自国，等. JY系列消能减震技术在超高层建筑中的应用[J]. 建筑结构， 2012（s2）：333-337.
[4]夏尧， 张伟玉， 黎德琳. 软钢阻尼墙在消能减震结构设计中的应用[J]. 建筑结构， 2012（s1）：456-459.
[5]吴正佳， 陶忠， 杨海浪. 剪切型软钢阻尼器对高烈度区框架结构的减震性能分析[J]. 建筑结构， 2017（s2）：285-288.
[6]程蓓， 李胜林， 申林，等. 消能减震支撑体系研究与在高烈度区的工程应用[J]. 建筑结构， 2008（12）：53-55.
作者簡介：
姓名： 陈朝晖出生年月： 1969.6性别： 女民族：汉籍贯： 云南省昆明市当前职务：当前职称：高工学历：大学研究方向：建筑结构设计中的减震建筑的设计。
关键词：高烈度区；学校建筑；消能减震技术
现阶段，国家已出台政策性文件，明确要求将医院、学校等人员密集场所建成质量可靠、安全舒适的地方，也就是合理化、高水平的提升建筑结构的抗震设防要求。而提升设防烈度，往往会对结构设计带来新的、更多且更加严峻的难题。针对传统形式的抗震设计来讲，其主要是通过增强结构自身的抗震性，以此来达到抵抗地震的目的，此种方法除了在安全性方面无法得到切实保证之外，而且还有着较好的经济投入，经济性欠佳。所以，消能减震技术作为一种不仅安全而且经济的新型技术应运而生，消能减震是建筑设计建造的重要指标，同时也是建筑结构能否得到合理规划的关键技术，其主要通过在结构上加设消能部件，给结构附加有效阻尼，用此种方式来最大程度减小结构的地震作用。最新颁布的《建筑抗震设计规范》明确指出，消能部件由各种支撑构件组成，如梁、墙体、斜撑、消能器等，效能器可选用的类型多样，如位移相关型、速度相关型等。针对主要采用框架结构的学校建筑而言，其通过位移相关型阻尼器的应用，除了能使结构刚度增加之外，还能增加其阻尼，因而可以从中得到更加的减震、效能效果。云南省出台政策性文件，明确要求设防烈度7度以上的医院、学校等人员密集场所应采用隔震减震技术，从而云南省高烈度区学校建筑中消能减震技术的运用得到大力推广。
1、项目概述
某工程为某市小学教学楼，整体结构形式采用的是框架体系，结构层一共有5层，其中，地上有4层，地下为1层；设防地震分组为第三组，设防烈度9度，即0.40g；周期折减系数为0.85；场地类别是Ⅱ类。
2、设计方案的选择
2.1传统方案
针对此教学楼而言，其整个长度为64.5m，宽为19.2m，长度与宽度比值>3，受此影响，造成两个方向的刚度比存在较大差别，且有着比较明显的结构扭转效应；该项目设防烈度是9度，即0.40g，如果运用的是框架体系来满足相关设计要求，那么结构的梁柱截面会比较大，即柱截面大约是1200mm×1200mm，因而会对建筑的整体使用功能造成较大影响，如果需要改用框架体系，依据标准的建筑布局，则建筑水平长度方向由于均为典型的大开间教师，因此，在布置剪力墙时便会受到比较大的影响，而在勉强事态下所布置的剪力墙，均为短支剪力墙，存在严重的超筋情况，而剪力墙需贯通上下楼层，现实操作难度较大。
2.2消能减震方案
2.2.1消能减震方案的选择
由于此项目如果运用传统方案来进行设计，那么在实际操作中会存在诸多难点与问题，因此，经综合考量，最终选用消能减震技术，通过此技术的运用，除了能够合理调整结构刚度之外，而且还能适当性增加结构的阻尼，大幅降低地震力的影响与作用。（1）基于结构层面来考虑。由于结构于X方向（即长边方向）有着比较大的刚度，而在Y方向（即短边方向），其有着比较小的刚度，如果在结构设计中选用的是同种效能器，则结构依然有上述两个方向刚度差别比较大的突出问题。因此，在设计时，在有着比较大结构刚度的方向（X方向），添加以提供刚度为辅及提供阻尼为主的效能器，该项目选用的是典型的剪切型软钢阻尼器；于刚度比较小的一侧（Y方向），考虑选用最新型的防屈曲耗能支撑（BRB），这样除了能增加结构的刚度之外，还能增加结构的附加阻尼。（2）基于建筑层面来考量。如果选用的是同一种减震产品，比如防屈曲耗能支撑，那么会对建筑长方向的建筑使用造成一定影响，而且还会影响到开窗，在外观上也会出现瑕疵，不美观；如果单纯选用剪切型阻尼器，会由于產品屈曲之后刚度不佳，而造成结构Y向刚度仍然难以满足规范规定与要求。因此，最终选定X方向选用剪切型软钢阻尼器与Y方向选用防屈曲耗能支撑的组合方案。
结合上述建筑因素、结构因素，该项目最终选用的是阻尼器与支撑相组合的方案：（1）在隔墙比较多且结构刚度比较小的Y方向，专门布设防屈曲耗能支撑，这样一来，便能够显著提升建筑结构的刚度及附加阻尼；而且可以在隔墙中布置BRB支撑，不会对建筑使用造成太大影响。（2）在仅有少量窗间墙及结构刚度比较大的X方向，则布设剪切型软钢阻尼器，主要作用就是增加阻尼，减小地震力。剪切型软钢阻尼器与防屈曲耗能支撑依据建筑的基本结构特点及建筑使用情况，沿两个方向来布置，尽可能布置于有较大变形的位置，数量明确后，使结构获得更加均匀的受力体系。此外，改善并优化罕遇地震、设防地震及多遇地震下结构的各项性能，以此来更好的满足规范要求。
2.2.2消能减震方案的布置
布置消能器的方式主要有：（1）在各层X向，均设置阻尼器8个，而在Y向上，设置支撑8个；（2）第2标准层的Y方向支撑屈服力为500kN，第3标准层Y方向支撑屈服力为350kN，第2标准层X方向阻尼器屈服力为300kN，第3标准层X方向支撑屈服力为250kN；第4标准层Y方向的支撑屈服力为300kN，X方向阻尼器屈服例为200kN，由于PKPM软件当中并无效能器单元，因此，BRB运用普通支撑对其刚度进行模拟；而阻尼器则用等效柱形式对其刚度进行模拟，对于附加阻尼来讲，可以通过对结构总阻尼进行更改，来对其刚度进行模拟；（3）结构固有阻尼比为5%，结构阻尼比为11.88%。
2.3计算内容
针对消能减震方案来讲，本文主要进行如下内容的操作：（1）计算附加阻尼比；（2）于静力弹塑性下，对大震下结构性能进行分析；（3）比较消能减震方案与传统方案的经济性。 3、计算结果
3.1附加阻尼比计算
3.1.1附加阻尼比计算原理分析
依据最新颁布的《建筑抗震设计规范》中相关规定，建筑结构地震影响系数曲线的阻尼形状与调整参数，需要与下列要求相符：不仅要有专门固定，而且建筑结构的阻尼比需设定为0.05，在调整地震影响系数曲线的阻尼系数时，应该按照1.0来采用，在形状参数方面，应该与下列规定相符：（1）直线下降段，从5倍特征周期到6s区段，应将下降斜率调整系数设定为0.02；（2）曲线下降段，从特征周期到5倍特征周期区段，取衰减指数0.8；（3）直线上升段，周期<0.1s的区段；（4）水平段，从0.1s到特征周期区段，取最大值（[αmax]）。
3.1.2附加阻尼比结果
依据上述方法。把消能减震方案中的附加阻尼比计算出来，所得附加阻尼比为：X向6.88%，Y向8.71%，取值6.88%。X方向附加阻尼比计算过成：阻尼器编号为SF-MDX-1-1的阻尼器出力为272.10kN，阻尼器位移为5.02mm，阻尼器耗能为4004.08Wci；SF-MDX-1-2的阻尼器出力为267.39kN，阻尼器位移为4.91mm，阻尼器耗能为3864.10Wci；SF-MDX-1-3的阻尼器出力为252.19kN，阻尼器位移为4.63mm，阻尼器耗能为3437.29Wci；SF-MDX-1-4的阻尼器出力为268.78kN，阻尼器位移为4.93mm，阻尼器耗能为3904.67Wci；SF-MDX-1-5的阻尼器出力为264.89kN，阻尼器位移为4.86mm，阻尼器耗能为3792.19Wci；SF-MDX-1-6的阻尼器出力为269.59kN，阻尼器位移为4.95mm，阻尼器耗能为3727.95Wci；SF-MDX-1-8的阻尼器出力为267.19kN，阻尼器位移为4.90mm，阻尼器耗能为3858.33Wci。当结构总阻尼为11.88%时，消能减震结构最大层间位移角X方向使1/593，而Y方向时1/566，与设计规范相关要求相符。
3.2经历弹塑性分析结果
之所以开展静力弹塑性分析，最终目的在于：（1）在罕遇地震作用下，对结构在薄弱层弹塑性变形情况进行检验；（2）对层间弹塑性位移是否<1/50进行验算（抗震设计目标），并且对结构有无薄弱层进行详细判断与论证，另外，判定其薄弱层所处位置及薄弱程度，以及其对整个结构所产生的影响；（3）深入了解结构塑性铰所具有的形成规律，判断罕遇地震作用下，结构所具有的抗倒塌能力。运用MIDAS/Gen开展此静力弹塑性分析，获得结构静力弹塑性分析曲线。由所得曲线得知，于罕遇地震力作用下，需求谱与结构能力谱之间存在交叉点，由此表明，结构大震性能与相关规范要求相符，针对X方向而言，其最大的弹塑性层间位移角是1/112，与规范的1/50要求相满足；而在大震性能点位置处，塑性铰竖向分布整体上比较均匀，没有出现塑性铰在个别楼层过于集中的情况，另外，需指出的是，塑性铰程度都
通过拿消能减震方案与传统设计方案进行比较，且套路标准建筑定额，传统方案所需花费的土建成本为350万元，而消能减震方案的土建成本是200万元，另外，阻尼器购买及安装费用大约为70万元，一共花费270万元。由此可知，结构成本节省幅度可以达到80万元，因而可以大幅节省成本支出；与此同时，由于柱截面得到大幅减少，取消了剪力墙，因而可以一定程度增加有效使用面积。
4、结语
综上，超高烈区学校建筑通过消能减震技术的运用，总体效果较好，经济性佳，能够在土建造价上减少10%～20%。另外，高烈度学校建筑通过消能减震技术的使用，能够使结构在抗震性能上得到强化，尤其时大震下的抗震性能。还需指出的是，通过与学校建筑的特点相结合，综合运用剪切型软钢阻尼器与防屈曲支撑，不但不会对建筑使用造成影响，而且还能一定程度增加使用面积；在保障建筑使用方便以及结构性能的情况下，效能减震方案相比与传统方案，优势更为明显。
参考文献：
[1]许楚平. 高烈度地震区结构隔震和消能减震设计[J]. 浙江建筑， 2016， 33（11）：16-20.
[2]张超， 翁大根， 吕西林，等. 消能减震技术用于C类框架学校建筑提高一度抗震设防加固的探讨[J]. 防灾减灾工程学报， 2012（4）：20-28.
[3]高杰， 薛彦涛， 徐自国，等. JY系列消能减震技术在超高层建筑中的应用[J]. 建筑结构， 2012（s2）：333-337.
[4]夏尧， 张伟玉， 黎德琳. 软钢阻尼墙在消能减震结构设计中的应用[J]. 建筑结构， 2012（s1）：456-459.
[5]吴正佳， 陶忠， 杨海浪. 剪切型软钢阻尼器对高烈度区框架结构的减震性能分析[J]. 建筑结构， 2017（s2）：285-288.
[6]程蓓， 李胜林， 申林，等. 消能减震支撑体系研究与在高烈度区的工程应用[J]. 建筑结构， 2008（12）：53-55.
作者簡介：
姓名： 陈朝晖出生年月： 1969.6性别： 女民族：汉籍贯： 云南省昆明市当前职务：当前职称：高工学历：大学研究方向：建筑结构设计中的减震建筑的设计。