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作者： 福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 建筑三院 魏潤瀚 諶覓 非解構(gòu)數(shù)字科技 莊煌城 引言： 2024年7月，福建省住建廳制定并印發(fā)了《福建省房屋建筑工程應(yīng)用隔震減震技術(shù)實施細則（試行）》，于2024年9月1日開始實行。文件要求高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點監(jiān)視防御區(qū)的新建學校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機構(gòu)、兒童福利機構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場所、廣播電視等建筑（下文簡稱“兩區(qū)八大類”項目）應(yīng)當按照國家有關(guān)規(guī)定采用隔震減震等技術(shù)，保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時能夠滿足正常使用要求。 我司設(shè)計的某大學L形高層公寓樓屬于“兩區(qū)八大類”項目，依據(jù)《建筑工程抗震管理條例》、《福建省房屋建筑工程應(yīng)用隔震減震技術(shù)實施細則（試行）》及《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術(shù)導則》（RISN-TG046-2023）要求，采用減震設(shè)計以提高建筑抗震韌性和使用功能可持續(xù)性。 1.項目概述 本項目結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計工作年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，地震設(shè)防烈度為7度（0.10g），場地類別為Ⅲ類。 在設(shè)計過程中面臨以下幾大挑戰(zhàn)： 1. 造價控制要求高，需通過優(yōu)化阻尼器布置以降低總體造價； 2. 建筑外立面均為陽臺，導致阻尼器布置空間受限； 3. 多方案比選需進行大量時程分析，傳統(tǒng)方法耗時較長，效率低下。 在設(shè)計過程中，對減震方案進行了多方面的比選，考慮了金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器等阻尼器。金屬屈服阻尼器具有較好的耗能能力，制作費用低，維護與替換費用低，但存在多周往復(fù)加載后性能退化嚴重、殘余變形較大等問題；摩擦阻尼器性能穩(wěn)定，但對安裝精度要求高，且存在初始剛度強化的現(xiàn)象。經(jīng)研究，最終選擇墻式粘滯阻尼器（VFD）作為本項目使用的阻尼器。 VFD是一種速度相關(guān)型阻尼器，通過高分子粘滯材料的剪切變形或活塞的往復(fù)運動來耗散地震能量。其優(yōu)點在于： 1、阻尼力與速度相關(guān)，僅在結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時提供阻尼力，不會給結(jié)構(gòu)附加額外剛度，不改變結(jié)構(gòu)動力特性； 2、耗能能力強，效率高； 3、多周往復(fù)加載仍能保持穩(wěn)定的阻尼力； 4、震后無需更換，能有效保障建筑震后正常使用功能。 2.智能優(yōu)選思路 優(yōu)化重點是使用Y-GAMA智能設(shè)計軟件對墻式粘滯阻尼器（VFD）的布置位置和力學參數(shù)進行智能優(yōu)選，最終目標是實現(xiàn)滿足約束條件下的造價最省。 2.1、優(yōu)化變量 主要包括阻尼器的安裝位置和阻尼器參數(shù)。安裝位置變量體現(xiàn)在不同樓層、不同剪力墻間的具體位置。阻尼器參數(shù)變量主要包括阻尼器的非線性剛度K、阻尼系數(shù)C、阻尼指數(shù)α、最大阻尼力等關(guān)鍵參數(shù)。 2.2、約束條件 (1) 結(jié)構(gòu)必須滿足相關(guān)規(guī)范的各項性能化指標要求，包括層間位移角限值、樓層水平最大加速度等。 (2) 阻尼器的設(shè)置不應(yīng)影響建筑門窗洞口布置、設(shè)備管道穿越及建筑正常使用空間要求。 (3) 阻尼器在罕遇地震下的最大輸出阻尼力和行程需在其允許范圍內(nèi)，并留有適當安全儲備。 2.3、優(yōu)化目標 滿足上述約束條件的阻尼器造價最低為優(yōu)化目標。Y-GAMA軟件通過智能算法（如OnlineLeaning算法等）反復(fù)迭代，在滿足所有約束條件的前提下，自動搜尋造價最低的阻尼器布置方案和參數(shù)組合。 3. 實施流程 1. 建立中震無阻尼器基準模型，考慮不同的附加阻尼比，以此模型調(diào)整主體結(jié)構(gòu)的截面與布置，得到指標與構(gòu)件截面滿足要求的模型。 2. 在Y-GAMA中設(shè)置阻尼器位置與參數(shù)變量； 3. 通過彈性時程分析計算附加阻尼比； 4. 利用智能算法進行迭代優(yōu)化，自動篩選最優(yōu)方案。 4. 卡片實現(xiàn) 通過試算中震無阻尼器模型，附加阻尼比為3%時的地震層間位移角為X向1/510，Y向1/509，滿足中震1/500的層間位移角限值要求。 為提高計算效率，將可能布置的阻尼器位置分組，同一組內(nèi)的阻尼器同時存在，如下圖所示：  圖4.1 阻尼器分組  圖4.2 阻尼器分組  圖4.3 阻尼器分組 整體Y-GAMA卡片組如下圖所示，主要包含阻尼器位置模塊、阻尼器參數(shù)模塊、選波及時程計算模塊、約束條件及結(jié)果輸出模塊4個模塊，各模塊詳述如下：  圖4.4 Y-GAMA卡片組 4.1、阻尼器位置模塊 阻尼器可能布置的位置均設(shè)置阻尼器，通過點選YJK消能組件卡片，每2個為一組對阻尼器進行分組，設(shè)置數(shù)字滑動條區(qū)間為0和1，控制各分組阻尼器是否存在，0表示阻尼器被刪除，1表示阻尼器存在。根據(jù)上文的阻尼器分組規(guī)則，本案例共創(chuàng)建4組阻尼器位置模塊，做為優(yōu)化問題定義卡片的4個變量參數(shù)。  圖4.5 阻尼器位置模塊 4.2、阻尼器參數(shù)模塊 通過Y-GAMA讀取EXCEL卡片功能讀取含阻尼器參數(shù)的表格文件，分別讀取規(guī)格型號、剛度、阻尼系數(shù)、阻尼指數(shù)、最大阻尼力等參數(shù)，通過列表挑參卡片對各參數(shù)進行逐項提取，導入封裝好的消能組件卡片包。提取的消能器參數(shù)將做為優(yōu)化問題定義卡片的另一個變量參數(shù)參與迭代計算。  圖4.6 阻尼器參數(shù)模塊 4.3、選波及時程計算模塊 通過Y-GAMA讀取彈性時程參數(shù)卡片讀取模型里中震子模型的地震波數(shù)據(jù)，本項目選取3條地震波（2條天然波+1條人工波），X、Y兩個方向加載。  圖4.7 選波及時程計算模塊 4.4、約束條件及結(jié)果輸出模塊 Y-GAMA優(yōu)化問題定義卡片設(shè)置3個約束條件，分別為附加阻尼比≥3%、中震下樓層最大層間位移角≤1/500、樓層水平最大加速度≤0.45g。優(yōu)化目標為篩選出的全部阻尼器的阻尼力之和最小。  圖4.8 約束條件及結(jié)果輸出模塊 5.迭代結(jié)果分析 采用Y-GAMA問題優(yōu)化器卡片，選用OnlineLeaning算法計算60次彈性時程分析。結(jié)果如下：最優(yōu)結(jié)果為39號模型，附加阻尼比為3.01347%>[3%]，層間位移角為1/613<[1/500]，樓層加速度0.27341g<[0.45g]，滿足各項約束條件。采用了SDE-VFD-NLx250x70型阻尼器，剛度180000kN/m，阻尼系數(shù)C=337kN/(m/s),阻尼指數(shù)α=0.25，最大阻尼器力250kN，阻尼力之和滿足60次迭代計算結(jié)果中值最小。阻尼器布置位置如下圖所示：  圖5.1 優(yōu)化器輸出結(jié)果  圖5.2 1~9F阻尼器布置位置  圖5.3 10~14F阻尼器布置位置 6.總結(jié) 1、本項目針對某大學公寓樓，根據(jù)《建筑工程抗震管理條例》、《福建省房屋建筑工程應(yīng)用隔震減震技術(shù)實施細則（試行）》及《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術(shù)導則》(RISN-TG046-2023)要求，提出了采用墻式粘滯阻尼器（VFD）并結(jié)合Y-GAMA智能設(shè)計軟件進行優(yōu)化設(shè)計的減震方案。該方案充分利用了VFD耗能效率高、不改變結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)點以及Y-GAMA智能算法在解決復(fù)雜優(yōu)化問題上的能力，提高工作效率，優(yōu)化了阻尼器數(shù)量及造價。 2、明確了以阻尼器最大阻尼力之和最低為目標，以規(guī)范指標和功能要求為約束，對阻尼器位置和參數(shù)進行協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)路徑。預(yù)計該方案能有效降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，減少主體結(jié)構(gòu)材料的用量，雖然增加了阻尼器設(shè)備費用，但總體上可實現(xiàn)工程總造價的降低，同時顯著提升建筑的抗震韌性和震后功能保持能力，契合“兩區(qū)八大類”項目對建筑安全和使用功能的要求。 + |
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