粘滯阻尼器在某學(xué)校宿舍樓減震設(shè)計中的應(yīng)用*

許進(jìn)飛 賴正聰 白羽

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

隨著建筑抗震安全性能要求的日益提高，消能減震技術(shù)在建筑抗震領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多[1]。消能減震技術(shù)是利用耗能裝置(如阻尼器)消耗地震能量，減小主體結(jié)構(gòu)的地震輸入，降低整體結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)，進(jìn)而減輕甚至避免主體結(jié)構(gòu)構(gòu)架的損傷破壞，是一種可行、有效的抗震策略，已成功應(yīng)用于實際工程[2-4]。粘滯阻尼器是一種用于結(jié)構(gòu)消能減震的阻尼元件，可降低地震作用進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)尺寸以達(dá)到相應(yīng)要求，而且對建筑外觀不造成影響[5]。本文以山西省某學(xué)校宿舍樓為工程實例，對消能減震技術(shù)的實踐應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 工程概況及模型驗證

本項目為山西省太原市某學(xué)校宿舍樓，主體10層，局部11層，建筑面積及高度分別為3 943.83 m2和32.4 m。采用鋼筋混凝土剪力墻作為結(jié)構(gòu)主體，抗震設(shè)防烈度為8度(0.02g)，設(shè)計地震分組為第二組，Ⅲ類場地，場地特征周期為0.05 s。剪力墻抗震等級為二級，結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)為0.98。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)及建筑工程抗震設(shè)防管理的相關(guān)要求，該工程屬于重點設(shè)防類，應(yīng)采用消能減震設(shè)計提高建筑物的安全性與可靠性。經(jīng)綜合考慮，本工程最終選用墻式連接消能器減震技術(shù)。

將YJK所建模型導(dǎo)入SAP2000中，對比非減震結(jié)構(gòu)模型的周期及質(zhì)量等，以校驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性。YJK與SAP2000所計算的結(jié)構(gòu)模型總質(zhì)量分別為9 212.30 t和9 483.67 t，相差271.37 t，如表1所示。SAP2000前三階周期分別為0.501 9、0.437 5、0.354 8 s，YJK前三階周期分別為0.494 5、0.444 4、0.367 8 s，前三階周期的最大誤差為3.55%，如表2所示，有力地驗證了SAP2000模型的正確性。

表1 質(zhì)量對比

表2 周期對比(前三階)

2 傳統(tǒng)抗震設(shè)計與粘滯阻尼器設(shè)計比較

傳統(tǒng)抗震設(shè)計主要通過增大配筋率、改變構(gòu)架截面面積來實現(xiàn)，而粘滯阻尼器設(shè)計能在不改變原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)抗震能力的大幅度提升。

2.1 傳統(tǒng)抗震設(shè)計

傳統(tǒng)抗震設(shè)計主要體現(xiàn)在“抗”字，通過加大結(jié)構(gòu)斷面、增大配筋率來抵抗地震力。該方法雖實用、有效，但在實踐過程中也逐漸暴露出了問題：

(1)提高“抗震”所需的建筑成本，以8度為例，采用上述方法提升抗震能力所增加的造價為8%～15%。

(2)在建筑物的剛度增大的同時，吸收的地震能量也增大。

(3)在大震作用下，增大截面后難以控制結(jié)構(gòu)彈塑性變形耗散地震能量。

2.2 粘滯阻尼消能減震設(shè)計

粘滯阻尼墻可作為墻體安裝在結(jié)構(gòu)層間，是利用結(jié)構(gòu)層間的相對運動，使內(nèi)外鋼板之間產(chǎn)生速度梯度引起粘滯材料剪切滯回耗能，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的目的。粘滯阻尼墻具有以下有優(yōu)點：

(1)易施工，且抗震效果明顯。

(2)阻尼力可通過改變粘滯液體的稠度等進(jìn)行改變。

(3)作用面積大，可吸收較多地震能量。

3 減震結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 模型概述

本工程為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，用SAP2000建立減震和非減震結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和計算，準(zhǔn)確、真實地模擬該結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性及響應(yīng)。

圖1 SAP2000模型

3.2 地震波選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 5001—2010)(以下簡稱《抗規(guī)》)規(guī)定及工程角度，本文選取5條天然的(T1、T2、T3、T4、T5)、2條人工的(R1、R2)加速度時程曲線對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時程分析。結(jié)構(gòu)在7條時程曲線作用下的基底剪力如表3所示，反應(yīng)譜與各時程曲線如圖2所示。由表3可知，由時程曲線所計算的基底剪力和反應(yīng)譜計算的基底剪力之比滿足規(guī)范所要求的65%～135%，且比值接近1，滿足規(guī)范要求。

表3 各地震波與反應(yīng)譜計算的基底剪力對比

圖2 時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線

3.3 附加阻尼比的確定

在減震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，附加阻尼比的確定需預(yù)先指定減震結(jié)構(gòu)所需達(dá)到的位移減震目標(biāo)。

據(jù)《抗規(guī)》12.3.4條，消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可估算為：

(1)

式中，ξa為消能部件給減震結(jié)構(gòu)附加的有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移△Uj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量;Ws為減震結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能，在不考慮扭轉(zhuǎn)的情況下，其值為各質(zhì)點水平地震作用力標(biāo)準(zhǔn)值與各質(zhì)點對應(yīng)水平地震作用力標(biāo)準(zhǔn)值的位移乘積之和的1/2。

根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297—2013)，粘滯阻尼器的Wcj可計算為：

Wcj=λ1Fdjmax△uj

(2)

式中，λ1為關(guān)于阻尼指數(shù)的函數(shù),因按規(guī)程中0.2的取值偏保守，故本工程取3.70；Fdjmax為第j個消能器在相應(yīng)水平地震作用下的最大阻尼力，kN。

對已布置粘滯阻尼器的減震結(jié)構(gòu)，利用SAP2000所提供的快速非線性分析法(FNA)進(jìn)行彈性時程分析，如表4所示。由表可知，在2條人工波及5條天然波作用下，減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼比平均值為X向4.09%、Y向1.86%，總阻尼比(原結(jié)構(gòu)阻尼比與附加阻尼比之和)為X向9.09%、Y向6.86%。

表4 附加阻尼比 單位：%

采用粘滯阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在小震作用下的樓層剪力及層間位移角如圖3、圖4所示。由表3可知，未采取減震構(gòu)件的結(jié)構(gòu)在地震波作用下，X、Y向基底剪力的時程平均值為11 356、11 486 kN；由圖3可知，采取減震措施的時程平均值為6 684、6 186 kN，分別降低了41.14%、46.14%。由圖4可知，在小震作用下的X、Y向的最大層間位移角平均值分別為1/3419、1/2465，遠(yuǎn)小于1/1000。

(a)小震X向?qū)娱g剪力

3.4 粘滯阻尼器的選型與布置

粘滯阻尼器的選型需考慮下述因素：阻尼系數(shù)C、輸出阻尼力F、阻尼指數(shù)α及極限位移Umax。

阻尼系數(shù)C是消能器活塞單位速度運動所產(chǎn)生的阻尼力。阻尼系數(shù)越大，則消能器的阻尼力及耗能越大。輸出阻尼力F是消能器的噸位。阻尼指數(shù)α一般取值在0～1。當(dāng)α=0時，為理想的滯回曲線，即任意時刻均有輸出力F，滯回曲線所包含的面積隨α的增大而減小，即耗能減??；當(dāng)α=1時，滯回曲線呈橢圓狀。在α較小時，消能器在低于設(shè)計速度的情況下的減震效果會更好；反之，可有效避免消能器所連接主體結(jié)構(gòu)處因受力過大而發(fā)生破壞。

(a)小震X向?qū)娱g位移角

消能器的安裝需要根據(jù)最大層間位移角及安裝數(shù)量確定，但整體布局要遵循“均勻、分散、對稱”的原則，且某一樓層不能布置太多。本工程共使用44片粘滯阻尼墻，每層8片，其中X、Y向各4片，分別布置在2～7層。平面布置如圖5所示(各樓層布置相同)。

圖5 消能器平面布置

4 動力彈塑性時程分析

為驗證減震結(jié)構(gòu)在大震作用下的減震效果，采用有限元軟件SAP2000對其進(jìn)行動力彈塑性時程分析。在彈性時程分析的基礎(chǔ)上選取3條地震波(R1、T1、T4)進(jìn)行計算，最終結(jié)果取3條地震波作用下的包絡(luò)值。

分別對結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下X、Y向進(jìn)行彈塑性分析，計算得到減震結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角及塑性鉸分布結(jié)果，如表5、圖6所示。

由表5可知，在大震作用下該結(jié)構(gòu)X、Y向的最大層間位移角為1/305、1/235，遠(yuǎn)小于規(guī)范所規(guī)定的1/120，采用減震措施后大幅提升了建筑的抗震性，降低了人民生命及財產(chǎn)安全的損失。

表5 大震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

為說明結(jié)構(gòu)在彈塑性分析過程中的變化情況，以人工波R1為例，列舉了X、Y向的出鉸順序。由圖6可以看出，在大震作用下，部分梁出現(xiàn)塑性鉸，柱未進(jìn)入塑性狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

(a)X向第52步出鉸情況

減震結(jié)構(gòu)R1大震作用下X、Y向彈塑性分析中，粘滯阻尼器的滯回曲線如圖7所示。由圖可知，粘滯阻尼器的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力，可為建筑結(jié)構(gòu)安全提供保障。

(a)X向滯回曲線

5 結(jié)論

(1)通過對本工程在小震和大震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角、層間剪力、減震結(jié)構(gòu)附加阻尼比及塑性鉸的發(fā)展?fàn)顟B(tài)分析可知，設(shè)置粘滯阻尼器后的減震結(jié)構(gòu)，其抗震性能得到大幅提升。

(2)在大震作用下，該結(jié)構(gòu)X、Y向的最大層間位移角為1/305、1/235，遠(yuǎn)小于規(guī)范所規(guī)定的1/120。

(3)粘滯阻尼器在大震作用下的滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力，可為建筑結(jié)構(gòu)安全提供保障。