粘滯阻尼器在某辦公樓中消能減震分析與設(shè)計

陳昭行，曾祥威

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 前 言

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對建筑的安全性提出了更高的要求，通過安裝消能減震設(shè)備來提高建筑的安全性能應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。本文以某框架結(jié)構(gòu)建筑為例，利用ETABS軟件平臺對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震下的有限元時程分析，探討了增設(shè)粘滯阻尼器與原結(jié)構(gòu)的相關(guān)動力響應(yīng)，對比層間剪力、層間位移角等參數(shù)，并使用能量法對粘滯阻尼器耗能情況進(jìn)行了評估。

1 工程概況及模型建立與驗(yàn)證

本文基于ETABS軟件平臺，本文以某框架結(jié)構(gòu)建筑為背景，對該結(jié)構(gòu)采用粘滯阻尼器控制的方案，提高結(jié)構(gòu)在多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的安全儲備[1]，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的減震設(shè)計要求，保證其在使用荷載作用下的正常使用性能。根據(jù)該建筑的PKPM設(shè)計結(jié)果，建立減震結(jié)構(gòu)的ETABS計算分析模型,采用軟件中的快速非線性分析(FNA)方法，只考慮阻尼器的非線性，結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性[3-4]。

本建筑設(shè)計使用年限50年，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.30 g，設(shè)計地震分組為第二組。對減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析，驗(yàn)證減震結(jié)構(gòu)的減震效果。結(jié)構(gòu)ETABS模型的總質(zhì)量為4 335 t，PKPM模型的總質(zhì)量為4396 t，兩者誤差為1.40%，ETABS前四階振型的周期分別為0.689、0.649、0.583、0.224 s，PKPM前4階振型的周期分別為0.691、0.646、0.585、0.225 s，前4階周期兩者最大誤差為0.49%，有效驗(yàn)證了ETABS模型的正確性。采用EATBS軟件計算了非減震結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜8度多遇地震下的動力響應(yīng)，與原計算結(jié)果比較，模型地震剪力分布較為吻合，誤差均小于5%。因此，利用ETABS建立的非減震結(jié)構(gòu)有限元模型準(zhǔn)確反映了實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布，可以作為非減震結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)計算的基準(zhǔn)模型[5-6]，也可以作為后續(xù)減震分析的初始模型。

2 輸入地震動評價

輸入地震動的頻譜特性對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)有重要影響，當(dāng)?shù)卣饎又饕l率成分與結(jié)構(gòu)頻率接近，結(jié)構(gòu)的地震動響加強(qiáng)[7]，按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[8]要求，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程曲線。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力以及多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值分別不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法的65%、80%。本文選用人工合成加速度時程曲線2條，天然地震記錄地震波5條，共7條地震波，譜曲線以及規(guī)范譜曲線如圖1。

圖1 地震波譜與規(guī)范普對比

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，該建筑為烈度為8度(0.30g)，地震動加速度峰值在多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震時為：110，300，510 cm/s2。

3 粘滯阻尼器的選型與布置

消能減震建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于一般依靠自身強(qiáng)度及變形能力(延性)來抗御地震的建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)。同時考慮結(jié)構(gòu)要滿足粘滯阻尼器提供附加阻尼比5%，故綜合考慮該結(jié)構(gòu)的建筑平面布置、抗震要求、兼顧粘滯阻尼器的布置原則[9]，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化[10]，在該結(jié)構(gòu)中X、Y方向各布置6套，一共布置12套粘滯阻尼器，布置形式為單節(jié)點(diǎn)單阻尼器，采用墻體支撐的安裝方式，其標(biāo)準(zhǔn)層布置方案如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及其阻尼器布置位置

粘滯阻尼器是依據(jù)流體運(yùn)動通過節(jié)流孔時能產(chǎn)生粘滯阻力的原理而制成的，是無剛度、速度相關(guān)型阻尼器[11]。本文粘滯阻尼器的設(shè)計參數(shù)[12]如表1所示。

表1 粘滯阻尼器設(shè)計參數(shù)

4 減震控制效果分析

4.1 結(jié)構(gòu)樓層與基底剪力

多遇地震下結(jié)構(gòu)樓層剪力見圖3。在多遇和設(shè)防地震作用下，由于結(jié)構(gòu)中增設(shè)了粘滯阻尼器，與非減震結(jié)構(gòu)相比其剪力有所下降。

(a)X向

(b)Y向

在多遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)相比，X方向最大減震效果為35%，Y方向最大減震效果為37%；設(shè)防地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層間剪力亦有所降低，X方向最大減震效果為21%，Y方向最大減震效果為25%。可見，結(jié)構(gòu)中增設(shè)粘滯阻尼器后，能有效降低結(jié)構(gòu)的地震力。表2中原結(jié)構(gòu)以及減震結(jié)構(gòu)的均值指7條地震波時程分析結(jié)果層間剪力最大值的平均值。表2中減震效果=(原結(jié)構(gòu)-減震結(jié)構(gòu))/原結(jié)構(gòu)×100%。

表2 地震作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力

4.2 結(jié)構(gòu)層間位移角

多遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角見圖4。

(a)X向

(b)Y向

從圖4可知，多遇地震作用下，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器后，結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角減小，最大減震效果達(dá)31%，結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角亦有一定幅度減小，最大減震效果達(dá)到37%；在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角減小，減震效果達(dá)19%，Y向?qū)娱g位移角亦有一定地減小，最大減震效果達(dá)到25%；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角有效減小，減震效果達(dá)14%，Y向?qū)娱g位移角亦有一定地減小，最大減震效果達(dá)到19%。表3中原結(jié)構(gòu)以及減震結(jié)構(gòu)的均值是指7條地震波時程分析結(jié)果層間位移角最大值的平均值，減震效果=(原結(jié)構(gòu)-減震結(jié)構(gòu))/原結(jié)構(gòu)×100%。

表3 地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角倒數(shù)(1/θ)

4.3 結(jié)構(gòu)粘滯阻尼器耗能性能分析

結(jié)構(gòu)1在天然波3作用下X向部分粘滯阻尼器的滯回曲線如圖5所示。由圖可知，非線性粘滯阻尼器在設(shè)防、罕遇地震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點(diǎn)，說明粘滯阻尼器具有優(yōu)越的耗能能力，衰減地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗震儲備。

(a)設(shè)防地震

(b)罕遇地震

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，使用能量法計算消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比。根據(jù)X、Y向結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能分別為23 217、19 914J，X、Y向粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的總能量分別為20 086、19 283J，X、Y向估算的粘滯阻尼器附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比分別為6%、7%，均可以達(dá)到理想的減震效果。

4.4 消能減震裝置對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

以結(jié)構(gòu)在人工波1多遇地震作用下為例，提取結(jié)構(gòu)與消能部件連接的梁柱軸力、剪力及彎矩包絡(luò)值。結(jié)構(gòu)軸框架內(nèi)力包絡(luò)值對比結(jié)果見圖6。由圖6可知，結(jié)構(gòu)增設(shè)消能減震裝置后，與原結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)⑨軸梁端彎矩、梁端剪力、柱軸力均有所降低，最大減效果分別達(dá)48%、53%、51%，表明粘滯阻尼器可以降低框架地震內(nèi)力。

(a)梁端彎矩

(b)梁端剪力

(c)柱軸力

4.5 與阻尼器連接的支撐截面設(shè)計

本工程擬采用的與粘滯阻尼器連接的墻體支撐截面為：墻體截面寬度b=200 mm，截面長度h=2400 mm，保護(hù)層厚度as=30 mm，截面有效長度h0=h-as=2370 mm，支撐墻體高度取l0=2150 mm，混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400。以下各式中參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]。

1)對墻體支撐抗剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算?？绺弑刃∮?，判斷支撐屬深受彎構(gòu)件。計算墻體截面自身抗剪承載力Vu，由于有效寬度與高寬比大于6，所以剪力按式(1)計算，得Vu=1049 kN

(1)

式中，Vu為墻體截面抗剪承載力；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，本文取1；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)本文取0.85；h0為剪力墻截面有效長度。

按式(2)計算阻尼器引起的剪力，得Vd=600 kN

Vd=1.2×nFd

(2)

式中，Vd為阻尼器阻尼力引起的剪力，由前文所述，取值500 kN；Fd為設(shè)計阻尼力；n為單節(jié)點(diǎn)阻尼器個數(shù)。

由于Vd

2)對墻體支撐進(jìn)行設(shè)計計算，粘滯阻尼器的阻尼力引起的彎矩Md：

Md=Vdl0=nFd(h1-h安)/2

(3)

式中，Md為阻尼力引起的墻端彎矩；Vd為阻尼器阻尼力引起的剪力；Fd為設(shè)計阻尼力；n為單個節(jié)點(diǎn)阻尼器個數(shù)；l0為支撐墻體高度；h1為框架凈高；h安為阻尼器安裝高度，400 mm。

則由式(3)阻尼力引起的彎矩Md=1290 kN·m

對于深受彎構(gòu)件，由于l0

Mu=fyAsz/γRE

(4)

由Mu>Md，得As>2361 mm2。取8根直徑20 mm的HRB400鋼筋，實(shí)際配筋面積2 513 mm2。

5 結(jié) 論

1)采用ETABS軟件建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布。

2)在結(jié)構(gòu)層剪力響應(yīng)方面：該結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)相比，X方向最大減震效果為35%，Y方向最大減震效果為37%；設(shè)防地震作用下，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層間剪力亦有所降低，X方向最大減震效果為21%，Y方向最大減震效果為25%。可見，結(jié)構(gòu)中增設(shè)粘滯阻尼器后，能有效降低結(jié)構(gòu)的地震力。

3)在控制層間位移角方面：該結(jié)構(gòu)在設(shè)置粘滯阻尼器后，在多遇地震作用下，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器后，結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角減小，最大減震效果達(dá)31%，結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角亦有一定幅度減小，最大減震效果達(dá)到37%。

4)減震控制方案通過設(shè)置粘滯阻尼器來增加結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，經(jīng)過計算可得所提減震控制方案在X、Y方向分別能為結(jié)構(gòu)附加6%、7%的附加阻尼比，能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)到理想的減震效果。

5)結(jié)構(gòu)增設(shè)消能減震裝置后，與原結(jié)構(gòu)相比，與阻尼器相連的框架中梁端彎矩、梁端剪力、柱軸力均有所降低，最大減效果分別達(dá)48%、53%、51%，表明粘滯阻尼器可以降低框架地震內(nèi)力。

6)對于考慮粘滯阻尼器支撐墻體的抗剪承載力進(jìn)行了驗(yàn)算，對墻式支撐進(jìn)行了截面配筋設(shè)計。

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