粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

李祖瑋+潘文+陳曉彬+蘭香

摘要：本文主要針對粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用作了具體深入的研究，分析了安裝消能裝置結(jié)構(gòu)在常遇地震和罕遇地震作用下層間剪力和層間位移的變化規(guī)律，利用有限元軟件SAP2000對比分析了無控結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，得到阻尼器對結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響，從而說明安裝粘滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)越性及應(yīng)用前景。

Abstract： This paper mainly studies the application of viscous damper in the frame structure， analyzes the variation law of interlaminar shear and interlaminar displacement under the function of frequent and unusual earthquake. The seismic response of the uncontrolled structure and energy dissipation structure is analyzed by the finite element software SAP2000 and the effect of damper on dynamic performance of structure is obtained to illustrate the seismic performance and application prospect of the energy dissipation structure of viscous dampers.

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；粘滯阻尼器；消能

Key words： frame structure；viscous damper；eenergy dissipation

中圖分類號：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0143-03

0 引言

消能技術(shù)的發(fā)展使得結(jié)構(gòu)抗震可利用阻尼器的耗能達(dá)到抗震的目的，并可以根據(jù)性能需求來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。

粘滯阻尼器是一種無剛度，速度相關(guān)型阻尼器，構(gòu)造簡單，材料經(jīng)濟(jì)，減震效果好，逐漸被廣泛應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域[2]。粘滯阻尼器具有大量消耗地震輸入能量，有效減小地震動(dòng)力響應(yīng)，降低樓層層間位移的能力[3]。該裝置雖然可以提高結(jié)構(gòu)的安全性能，但現(xiàn)有的粘滯阻尼器在構(gòu)造設(shè)計(jì)和布置位置上仍存在一些不足。本文將其運(yùn)用于某工程的減震控制，表明了粘滯阻尼器的耗能減震效果。

1 工程概況

本工程為曲靖市某小學(xué)的教學(xué)樓，工程結(jié)構(gòu)為5層，地下室一層，建筑高度為19.5m，總建筑面積為9654.28m2。結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)。本工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.2g，地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類。根據(jù)云南省建設(shè)工程抗震設(shè)防管理的有關(guān)規(guī)定，本工程適宜采用減震技術(shù)，通過設(shè)置消能裝置來提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。

2 阻尼器參數(shù)及布置位置

2.1 附加有效阻尼比的計(jì)算

①根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[4]（以下簡稱《抗規(guī)》）的第12.3.4條：消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按下列方法確定。

②消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按下式估算：

2.2 阻尼器布置原則及合理位置

阻尼器在同一樓層的布置中，應(yīng)遵循的原則是：均勻、分散、對稱，并且阻尼器之間的有效間距不宜過大，建議不要超過60m[5]。在豎向布置中應(yīng)遵循連續(xù)布置的原則，豎向連續(xù)有助于提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率和安全性。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置和建筑使用功能，在該結(jié)構(gòu)中布置27個(gè)粘滯阻尼器，阻尼器數(shù)量見表1，布置位置見圖2，圈起的部位為阻尼器的布置位置。粘滯阻尼器非線性力-變形關(guān)系[6]為：

式（2）中：C為阻尼系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求選取；α為阻尼指數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求選??；V為結(jié)構(gòu)的速度。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)的減震目標(biāo)

根據(jù)抗規(guī)和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)教程》（JGJ3—2010）[7]（簡稱高規(guī)）的相關(guān)規(guī)定來確定本結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震作用下的減震目標(biāo)（表2）以及與黏滯流體阻尼器相連構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的性能目標(biāo)（表3）。

3.2 地震波的確定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）5.1.2條和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)教程》4.3.3條中的相關(guān)規(guī)定，并且充分考慮地震動(dòng)的三個(gè)要素：振幅、頻譜特性、持時(shí)[8]，選取了實(shí)際5條強(qiáng)震記錄和2條人工模擬加速度時(shí)程曲線。其中兩條加速時(shí)程曲線如圖2。

3.3 彈性時(shí)程分析

使用軟件ETABS建立減震與非減震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行彈性時(shí)程分析，并且對比兩種結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。在ETABS中，使用連接單元Damper模擬粘滯阻尼器[9]。圖3為小震下減震與非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線（由于篇幅有限這里只給出X向的結(jié)果），最大層間剪力比和樓層位移對比見表4、表5。

從圖3可以看出，采用消能裝置能夠很大程度上彌補(bǔ)設(shè)計(jì)不足，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，使得結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.4 減震結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

基于大震彈塑性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可以成為一種主動(dòng)設(shè)計(jì)手段，能進(jìn)一步完善我國現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)方法，逐漸在結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域中使用[10]。

本工程使用軟件SAP2000進(jìn)行減震結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析。在SAP2000中。使用連接單元Damper模擬粘滯阻尼器，框架梁、柱均定義塑性鉸[11]。彈塑性時(shí)程分析過程中，在彈性時(shí)程分析的基礎(chǔ)上選擇三條地震波進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)規(guī)范及場地要求對所選地震波調(diào)動(dòng)幅值。單向地震作用下，地震波分別沿X向、Y向輸入，三條波的計(jì)算結(jié)果見表5。

根據(jù)抗規(guī)，為了使結(jié)構(gòu)在地震作用下具有合理的耗能機(jī)制，允許結(jié)構(gòu)在大震作用下部分構(gòu)件進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)。100號地震波在X向單向輸入時(shí)結(jié)構(gòu)的出鉸順序見圖4。

4 結(jié)論

①采用粘滯阻尼器的減震結(jié)構(gòu)較非減震結(jié)構(gòu)其抗震性能得到了明顯提高。

②罕遇地震作用下構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，粘滯阻尼器通過阻尼耗能，使得結(jié)構(gòu)層間位移，層剪力都得到有效控制，但是沒有多遇地震作用下的減震效果明顯。

③通過在建筑結(jié)構(gòu)中采用消能技術(shù)加固后，由粘滯阻尼器提供附加阻尼比來消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，有效的降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從而達(dá)到良好的減震效果。

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