减隔震系统在建筑工程中的应用——以广东省应急指挥中心建设工程为例

于成明，徐政宇，陈波，刘雍

（中建科技集团有限公司，广东 深圳 518000）

1 引言

减震隔震技术是预防和减轻地震灾害的重要措施，能较好地提高建筑工程抗震设防能力。因建筑物所属地域的不同，重要性的差异，全国各地对建筑物的抗震要求有所不同。近年来，一些省（市）颁布了各自的地方性法规，以法律规范明确了建筑工程采用减隔震技术的范围，明确了政府及有关部门的职责和减隔震建筑工程设计、施工、监理、验收、检测、使用维护等各方主体的责任，对各个实施环节都做了明确规定，以保障减隔震建筑工程的质量，不断提高建筑工程的抗震设防质量水平。

目前，采用减隔震的建筑工程越来越多，减隔震技术越来越受重视。广东省应急指挥中心项目所采用的减隔震系统比较有代表性，采用了层间的屈曲约束支撑(BRB)与摩擦-金属屈服复合阻尼屈曲约束支撑（FBRB）组合减震技术，以及楼板TMD 及附加悬挂TMD 的多重调谐阻尼布置方案（MTMD），本文针对BRB 系统在此项目中的应用进行简单介绍。

2 项目介绍

广东省应急指挥中心项目位于广州市越秀区，是省政府应对全省各类重特大突发事件的总指挥部，集应急值守、信息接报、监测预警、会商决策、指挥调度、处置救援、社会动员、救灾复产、综合协调为一体的指挥枢纽。建筑为结构形式为钢框架结构-屈曲约束支撑结构体系。项目建筑面积13677 m2，建筑长度为61.2 m，宽度为47.9 m，单跨跨度为26.3 m，建筑高度30 m。首层及设备夹层层高均为4.2 m，建筑面积为3873 m2；二层及设备夹层层高均为4.5 m，建筑面积为3 797 m2；三层层高为4.2 m，建筑面积为2440 m2；四层层高为3.9 m，建筑面积为1 711 m2；五层层高4 m。项目采用装配式建筑，预制构件包括钢柱、钢梁、钢支撑、钢楼梯、钢筋桁架楼承板、ALC隔墙板板，装配率91%，为AAA 级装配式建筑，是广州市装配率最高的一个项目。考虑应急指挥中心的使用需求，结构设计时提高其抗震性能，结构按抗震设防烈度8 度（0.20g）设计。减振方案采用多阶段耗能（小、中、大震）的摩擦型防屈曲支撑+双层楼板调谐质量阻尼器宽频段减振技术，创造了国内首例宽频段多级减振应急指挥中心项目。本工程竖向减震设计采用屈曲约束支撑(BRB)作为消能减震部件。一方面，为结构提供足够的刚度，另一方面，阻尼器在罕遇地震下进行耗能。虽然减震器投资较大，但是增强了本结构的结构安全性，提升了建筑抗震能力，改善了建筑的使用环境。

3 结构设计方案

消能减震结构主要是通过设置消能减震装置以控制结构在不同烈度地震作用下的预期变形，从而达到不同等级的抗震设防目标。

消能减震结构之所以能提高建筑抗震性能，消能减震器起了关键作用。如何比较准确地评估消能减震器的减震作用，是减震结构设计的首要问题[1]。

本项目竖向采用的消能减震器是屈曲约束支撑(BRB)与摩擦-金属屈服复合阻尼屈曲约束支撑（FBRB） 组合减震技术，设计使用年限为50 年。其产品是利用芯材作为能量吸收材料，利用钢材的屈服变形滞回耗能来吸收地震能量。此类消能减震器均为位移型阻尼器，目前在各国应用广泛。针对本工程，其具体设计内容主要包括：

1）确定YJK 软件中结构的等代支撑刚度，确定消能减震器的参数和数量，以及消能减震器的安装位置及型式；

2）计算附设减震器的减震结构在多遇地震作用下的结构响应；

3）进行弹性时程分析，复核多遇地震作用下的位移角；

4）进行设防地震时程分析，复核设防地震作用下的消能器耗能；

5）罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算，承载力不足的构件进行相应调整，最后完成与阻尼器相连的连接构件和结构构件的设计。

3.1 屈曲约束支撑（BRB）的布置方式

屈曲约束支撑(BRB)的立面示意图如图1 所示，布置位置可根据建筑平面灵活布置，也可放置于隔墙中，可根据平面建筑的需要采用V 形、人字形或单斜杆布置，不会对建筑的使用功能及外立面产生影响[2]。

图1 屈曲约束支撑立面示意图

3.2 摩擦- 屈曲约束支撑（FBRB）布置方式

摩擦- 屈曲约束支撑（FBRB）复合阻尼防屈曲支撑，可实现摩擦阻尼器与防屈曲支撑阻尼器协同工作，解决单种阻尼器难以同时满足从小震到大震（超大震）都能耗能的问题[3]。FBRB布置方式与BRB 一致，如图2 所示。

图2 摩擦- 屈曲约束支撑（FBRB）布置方式( 人字撑)

摩擦阻尼器是一种位移型阻尼器（见图3），是由复合型摩擦材料、摩擦压片、摩擦钢板以及紧固螺栓组成的复合型阻尼器。它是通过对紧固螺栓施加正压力，地震时摩擦钢板将往复运动，使摩擦材料和摩擦钢板间产生摩擦力来消耗地震能量。摩擦阻尼器具有结构简单、性能可靠（具有稳定的滞回特性，较优的低周疲劳性能，受环境温度影响较小）、成本低廉、安装方便的优点，能够有效减小建筑的地震及风振反应，具有广泛的工程适用性。

图3 摩擦阻尼器示意图

4 减震系统——BRB系统在本项目的实际应用

4.1 有限元分析

本项目抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度峰值为0.2g，设计地震分组第一组，II 类场地，场地特征周期0.35 s。采用钢框架结构——屈曲约束支撑结构体系。

使用大型有限元分析软件SAP 2000 建立结构模型，并进行简便计算与分析。SAP 2000 软件具有方便灵活的建模、模拟功能和强大的线性和非线性动力分析功能。在模型中屈曲约束支撑（BRB）及摩擦-屈曲约束支撑（FBRB）采用非线性单元Plastic（Wen）模拟，并且弹性时程分析采用软件所提供的快速非线性分析（FNA）方法，即只考虑消能器的非线性、结构本身假设为线性。由弹性时程分析结果可知，所有类型的屈曲约束支撑（BRB）及摩擦-屈曲约束支撑（FBRB）在多遇地震下的受力均小于相对应的屈服力，因此，设置屈曲约束支撑（BRB）及摩擦-屈曲约束支撑（FBRB）“多遇及罕遇地震弹性”的设计目标是满足的经综合考虑，最终选用屈曲约束支撑（BRB）与摩擦-金属屈服复合阻尼屈曲约束支撑（FBRB） 组合减震技术。并根据弹塑性分析中，消能器的出力、变形和耗能滞回曲线和进行截面推导，因上述推导过程较复杂，本文不再赘述，具体数值见表1。

表1 本工程BRB产品建议参数表

4.2 减震器性能参数统计表

根据结构设计方案中所述方法，将BRB 及FBRB 进行归并，通过调整弹性段来使BRB 及FBRB 种类不致过多，本工程确定减震器的参数和数量，见表2。

表2 本工程FBRB产品建议参数表

4.3 减震器布置原则

减震器的布置位置：楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称”的原则，其具体布置1 层至5 层同轴同位。

5 结语

基于本项目的减震系统的应用，可以总结出屈曲约束支撑（BRB）系统属于位移相关型阻尼器，是靠耗能芯板产生塑性变形来耗散能量，屈曲支撑的内芯屈服前只提供弹性刚度，不能耗能，屈服后则开始耗散能量，特别是在产生较大塑性变形时（大震时），所以当选择合适的连接件时摩擦阻尼器可以在产生很小变形时即开始耗能；屈曲支撑的金属阻尼器，一般承载力可以做到很大（从几十吨、几百吨到上千吨），基于此类阻尼器的性能特点，将屈曲支撑通过合理的设计，这样结构从小震、中震到大震（超大震）的整个过程都能耗散能量，实现结构在各变形阶段的自适应耗能需求。