粘滯阻尼器對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的對(duì)比性研究

關(guān)維海、代貴舉

摘要：結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確合理估計(jì)阻尼器的動(dòng)力行為，這可以在ETABS、SAP2000、Abaqus等軟件中實(shí)現(xiàn)。但PKPM僅能通過振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，并且單元類型十分有限，不能直接進(jìn)行阻尼器的建模及計(jì)算。為了在PKPM中進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要采用等效線性化的方法，黏滯流體阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)剛度沒有貢獻(xiàn)，僅需要考慮其附加阻尼比的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：黏滯阻尼墻；阻尼比；地震波

地震是世界上最不可預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害之一，它所造成的直接災(zāi)害有： 建筑物與構(gòu)筑物的破壞，如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵路軌道變形等等。作為全國地震多發(fā)和高烈度區(qū)的省份，因此云南省對(duì)于中小學(xué)、醫(yī)院及幼兒園出臺(tái)相關(guān)規(guī)定，必須采取減、隔震措施，以此提高對(duì)弱勢(shì)群體的保護(hù)。減震措施，是指通過在結(jié)構(gòu)中加入阻尼器（軟鋼或粘滯）來耗散地震的作用能量，從而達(dá)到減小主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的目的，可以避免結(jié)構(gòu)在地震中破壞或倒塌，實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。因此本文針對(duì)云南省某學(xué)校工程項(xiàng)目，做出減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一、 案例項(xiàng)目概況

針對(duì)云南省某項(xiàng)目工程主要包含“學(xué)生食堂、文體中心和學(xué)生公寓”，總建筑面積：12900㎡；地上面積：10300㎡；地下面積：2600㎡進(jìn)行減震設(shè)計(jì)?！皩W(xué)生食堂、文體中心和學(xué)生公寓”上部建筑方案為L形布置，共12層（局部6層和3層）。結(jié)構(gòu)上采用抗震縫脫開的處理方法，沿12層與6層交接處將該子項(xiàng)上部結(jié)構(gòu)分割為獨(dú)立開來的一棟12層（局部3層）框架剪力墻結(jié)構(gòu)和一棟6層框架結(jié)構(gòu)。在該子項(xiàng)塔樓下方及周邊外擴(kuò)范圍設(shè)有一層地下室，全層地下室均為6級(jí)乙等人防地下室。該子項(xiàng)兩塔樓上部結(jié)構(gòu)均采用消能減震技術(shù)?？拐鹆叶葹榘硕?，地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為二類；嵌固端選擇：“學(xué)生食堂、文體中心和學(xué)生公寓”子項(xiàng)兩棟塔樓嵌固端選取為地下室頂板[1-5]。

二、案例項(xiàng)目上部及地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）結(jié)構(gòu)選型、抗側(cè)力體系和樓蓋體系

建筑結(jié)構(gòu)體系、樓蓋體系和結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)選取簡述。

1、結(jié)構(gòu)體系選取

“學(xué)生食堂、文體中心和學(xué)生公寓”子項(xiàng)，該子項(xiàng)上部建筑方案為L形布置，共12層（局部6層和3層）。結(jié)構(gòu)上采用抗震縫脫開的處理方法，沿12層與6層交接處將該子項(xiàng)上部結(jié)構(gòu)分割為獨(dú)立開來的一棟12層（局部3層）結(jié)構(gòu)和一棟6層結(jié)構(gòu)。12層部分和6層部分因結(jié)構(gòu)底部二層為學(xué)生食堂、問題活動(dòng)中心和超市，使用功能上對(duì)開敞大空間有所要求，故結(jié)構(gòu)形式12層塔樓選用鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，6層塔樓選用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。樓蓋體系選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋體系。

2、抗震等級(jí)劃分

“學(xué)生食堂、文體中心和學(xué)生公寓”子項(xiàng)6層部分和12層部分根據(jù)抗規(guī)6.1.2條規(guī)定，按乙類建筑提高一度要求查表后，12層塔樓框架抗震等級(jí)、剪力墻抗震等級(jí)和6層塔樓框架抗震等級(jí)均劃定為一級(jí)，抗震構(gòu)造措施等級(jí)均為一級(jí)。

（二）結(jié)構(gòu)平面布置

1、本工程各棟平面外輪廓形狀基本以多邊形為主，平面布置較為均勻規(guī)則。12層平面的長寬高數(shù)值分別為：44.55m，18.30m和44.65m；12層平面的長寬高數(shù)值分別為：39.30m，18.60m和21.25m。

2、12層考慮偶然偏心規(guī)定水平力作用下位移比大于1.2小于1.50，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，均考慮雙向地震[5]。

3、減震方案選?。涸诮o定配置數(shù)量條件下在結(jié)構(gòu)中合理布置阻尼器是達(dá)到減震效果的非常有效的途徑。在阻尼器的布置中不僅要遵照“整體分散，局部集中”的原則，還要考慮到建筑物本身的一些特點(diǎn)。通過對(duì)阻尼器數(shù)量、位置的多輪時(shí)程分析、優(yōu)化調(diào)整后，確定了最終減震方案。

綜合考慮減震目標(biāo)及建筑功能的需要，本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)共計(jì)采用兩種軟鋼阻尼器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，三種軟鋼剪切阻尼器性能參數(shù)為：（1）YSX-SPL-250-2，屈服荷載250 kN，屈服位移2mm，8個(gè)； （2）YSX-SPL-500-2，屈服荷載500 kN，屈服位移2mm，42個(gè)；（3）YSX-SPL-650-2，屈服荷載650 kN，屈服位移2mm，78個(gè)。

三、十二層塔樓結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果

（一）使用軟件

1、多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件 SATWE（2010版本）

2、集成化的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件 ETABS中文版（V9.7.4版）

（二） SATWE與ETABS小震計(jì)算主要計(jì)算結(jié)果簡要對(duì)比

1、 SATWE主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2、SATWE與ETABS分析結(jié)果對(duì)比

（1）兩個(gè)軟件所建立的模型如圖1、圖2：

結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算振型數(shù)：SATWE：15個(gè)，ETABS：140個(gè)，SATWE模型的有效質(zhì)量系數(shù)為X向93.60%，Y向95.02%。滿足規(guī)范不小于90%的要求。SATWE模型第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比0.7414，ETABS模型第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比0.7014，滿足規(guī)范要求。

（2）位移分析

在不考慮偶然偏心作用時(shí)，SATWE：X向最大層間位移角為1/ 880（6層）；Y向最大層間位移角為1/ 849 （6層）。ETABS：X向最大層間位移角為1/1055，出現(xiàn)在RG波第8層；Y向最大層間位移角為1/950，出現(xiàn)在TR1波第6層。均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第5.5.1條規(guī)定的框架結(jié)構(gòu)最大位移角1/800的限值。兩軟件計(jì)算結(jié)果十分接近，小震時(shí)各樓層最大位移角如表2和表3。

（3） 結(jié)構(gòu)總質(zhì)量

SATWE計(jì)算出的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為14188t，ETABS計(jì)算出的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為15390t，差值百分比為8.5%。

（三）消能減震設(shè)計(jì)小震計(jì)算主要結(jié)果及分析

本工程采用粘滯阻尼墻進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》的要求，采用等效線性化方法，考慮消能器提供的等效剛度和等效阻尼比。

1、等效線性化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確合理估計(jì)阻尼器的動(dòng)力行為，這可以在ETABS、SAP2000、Abaqus等軟件中實(shí)現(xiàn)。但PKPM僅能通過振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，并且單元類型十分有限，不能直接進(jìn)行阻尼器的建模及計(jì)算。

為了在PKPM中進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要采用等效線性化的方法，黏滯流體阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)剛度沒有貢獻(xiàn)，僅需要考慮其附加阻尼比的貢獻(xiàn)。速度相關(guān)型消能器的簡化設(shè)計(jì)程序EDstruDesign的界面如圖所示。用戶需要輸入三部分內(nèi)容：第一部分是阻尼器相關(guān)參數(shù)，包含阻尼系數(shù)C，阻尼指數(shù)

2、最終減震方案確定

（1） X向附加阻尼比計(jì)算結(jié)果見表4。

Y向附加阻尼比計(jì)算結(jié)果見表5。

結(jié)構(gòu)等效阻尼比取兩個(gè)方向等效阻尼比的較小值：8.05%，SATWE計(jì)算中按照8.0%進(jìn)行計(jì)算。

四、結(jié)語：

通過以上結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行配置消能部件，其實(shí)質(zhì)是對(duì)結(jié)構(gòu)附加阻尼，使得結(jié)構(gòu)的等效阻尼比增加，而結(jié)構(gòu)等效阻尼比的增加會(huì)使其地震響應(yīng)降低，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的剛度，減小結(jié)構(gòu)位移，因而可以減小結(jié)構(gòu)位移角和位移比。在結(jié)合地震波分析，可發(fā)現(xiàn)首先結(jié)構(gòu)多數(shù)連梁出現(xiàn)塑性鉸，有效的起到第一道防線的作用，耗散了地震能量；然后結(jié)構(gòu)部分混凝土梁出現(xiàn)塑性鉸；結(jié)構(gòu)框架柱基本未出現(xiàn)塑性鉸；這樣可以看到阻尼器耗能作用明顯，阻尼器耗能占到地震總能量的50%以上，有效的耗散了地震能量并保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) GB50153-2008[S].

[2] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB50009-2012[S].

[3] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50010-2010[S].

[4] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50011-2010[S].

[5] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3-2010[S].

[6] 建筑消能減震技術(shù)規(guī)程