黏滯阻尼器在某高中教學樓中的應用*(建筑)
黏滯阻尼器在某高中教學樓中的應用*(建筑)
陳曉彬， 潘 文
（昆明理工大學抗震研究所，昆明650500）
[摘要] 為研究高烈度區(qū)框架結(jié)構(gòu)裝設非線性黏滯阻尼器減震效果，以某典型框架結(jié)構(gòu)工程實例為背景，輸入地震波進行時程分析。以樓層側(cè)移、層間位移角、樓層剪力為減震控制目標，分析結(jié)果表明，裝設黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)減震效果明顯，阻尼器在不同的工況下滯回曲線均勻飽滿，呈現(xiàn)典型的非線性速度型阻尼器特征，分析結(jié)果對于黏滯阻尼器在高烈度區(qū)的應用與推廣具有一定的參考價值。
[關鍵詞]高烈度區(qū)；黏滯阻尼器；框架結(jié)構(gòu)；時程分析
0 引言
框架結(jié)構(gòu)是目前應用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式之一，它具有空間布局靈活、自重輕等優(yōu)點。傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)通過加大主要受力構(gòu)件的截面尺寸或增加配筋來提高其抗震性能，與此同時結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度都會增加，地震作用下結(jié)構(gòu)所承擔的荷載也會增加。結(jié)構(gòu)配筋偏多，截面過大，不僅增加造價，而且很多情況下滿足不了建筑使用功能要求。消能減震技術(shù)是指在結(jié)構(gòu)上裝設阻尼器，通過阻尼器的相對速度或者相對位移來附加阻尼，達到減震控制的目的。黏滯阻尼器由于不提供附加剛度，附加阻尼比較大，減震效果明顯，在多遇地震下即可耗能，成為被動控制技術(shù)中目前應用最為廣泛的技術(shù)之一。
本文以昆明市某高中教學樓工程實例對比分析地震作用下減震與非減震結(jié)構(gòu)的響應，以期得到可供實際工程應用參考的價值。
1 黏滯阻尼器的工作原理和力學參數(shù)
黏滯阻尼器的工作原理是在外界荷載作用下流體通過孔隙或縫隙而產(chǎn)生的阻尼力并耗散地震輸入能量。黏滯阻尼器的力與結(jié)構(gòu)的位移反應和柱中彎矩反向，因此，黏滯阻尼器在減小結(jié)構(gòu)響應的同時，不會在柱中產(chǎn)生與柱彎矩同向的軸力，黏滯阻尼器不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加剛度，因此結(jié)構(gòu)的周期不會改變，從而不會增加地震力。線性與非線性阻尼器的力學模型如下：
線性：
2 工程概況
本工程為昆明市某高中教學樓，該樓結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年，框架抗震等級為一級，抗震設防為8度(0.2g)，建筑場地為Ⅱ類，設計地震分組為第三組，地上6層，建筑總高度為22.40m，首層層高5.4m，2~5層層高均為3.9m，第6層屋頂層高1. 4m，總建筑面積9903 m2。結(jié)構(gòu)三維模型如圖1所示。
3 結(jié)構(gòu)消能減震設計方案
3.1阻尼器參數(shù)選取
通過調(diào)整結(jié)構(gòu)PK模型的總阻尼比使結(jié)構(gòu)達到減震性能目標，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡稱抗規(guī)）中“總阻尼比=結(jié)構(gòu)阻尼比+附加阻尼比”，確定所需附加的阻尼比為5%，然后估算結(jié)構(gòu)所需的阻尼器數(shù)量和參數(shù)，根據(jù)“均勻、分散、周邊、對稱”的原則布置阻尼器。本工程采用懸臂墻的支撐型式。結(jié)構(gòu)各層阻尼器布置如圖2所示，阻尼器數(shù)量及參數(shù)如表1所示。
3.2設防目標
抗規(guī)規(guī)定采用消能減震設計的結(jié)構(gòu)，當遭遇到本地區(qū)的多遇地震作用時，可按高于（傳統(tǒng)）的性能目標進行抗震設計，本工程預期減震性能目標如表2所示。
4 地震作用下的減震分析
結(jié)構(gòu)的抗震設計采用SATWE軟件，結(jié)構(gòu)在多遇地震下的彈性分析采用ETABS NonlinerC V9.7.3軟件，罕遇地震作用下的彈塑性時程分析采用SAP2000V17軟件。
4.1兩種軟件模型對比
為了保證計算模型的準確性，需對比SATWE模型與ETABS模型在阻尼比為5%的結(jié)構(gòu)基本特性，兩種軟件計算得到的質(zhì)量、前三階周期、樓層剪力（除頂層外）相差較小，樓層側(cè)移之差等均在允許誤差范圍內(nèi)，計算結(jié)果表明，分析模型是可靠的，能作為設計、分析的依據(jù)。
非減震結(jié)構(gòu)質(zhì)量、前3階周期及樓層剪力對比分別如表3～5所示。
4.2地震波的選取
根據(jù)抗規(guī)要求，選取5條天然波（3號、11號、54號、82號、89號）和2條人工波( R18，R20)，分析結(jié)果取7條波計算的平均值，時程反應譜（多遇70gal）與規(guī)范反應譜5%阻尼比如圖3所示。
4.3多遇地震下阻尼器的滯回曲線
滯回曲線反映阻尼器在地震作用下力與位移的關系，其所圍成的面積就是阻尼器的耗能大小，由于篇幅限制，僅列出第2層編號為L2阻尼器的滯回曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，阻尼器的滯回曲線均勻、飽滿，阻尼器在多遇地震作用下即開始耗能。
4.4多遇地震下能量耗散分布圖
能量時程圖反映了地震作用下，結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼耗能、阻尼器耗能與地震輸入能量之間的相對關系，從圖中可以看出結(jié)構(gòu)很大一部分的能量由阻尼器消耗，大大減小了結(jié)構(gòu)損傷，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，R18號波X向的時程能量圖如圖5所示。
4.5多遇地震作用下減震與非減震結(jié)構(gòu)對比
黏滯阻尼器在有限元軟件中使用Damper單元模擬，采用快速非線性( FNA)對有阻尼器（有控）和無阻尼器（無控）進行計算分析，對比樓層剪力、層間位移角等結(jié)構(gòu)參數(shù)指標，X、y向的樓層剪力對比如表6、表7所示，層間位移角如圖6所示。
從表6、表7可以看出結(jié)構(gòu)X、Y向的樓層剪力比（有控／無控）均在65%左右，達到預期的基底剪力減震目標，各層的剪力比值較接近，阻尼器布置均勻合理，結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)薄弱層。
5 彈塑性時程分析
根據(jù)《消能減震技術(shù)規(guī)程》，結(jié)構(gòu)要滿足“小震可修，大震不倒”的要求，在彈性時程分析分析的基礎上通過調(diào)整加速度峰值，選取三條波進行彈塑性分析。在SAP2000中定義梁和柱的塑性鉸以模擬結(jié)構(gòu)大震作用下塑性發(fā)展情況，結(jié)構(gòu)在R20號波X向的出鉸情況如圖7所示，各大震工況作用下的層間位移角如表8所示。
從圖7可以看出結(jié)構(gòu)先出現(xiàn)梁鉸然后出現(xiàn)柱鉸，滿足“強柱弱梁”的設計要求；從表8得出結(jié)構(gòu)在大震下X、Y向?qū)娱g位移角包絡值分別為1/129，1/141，都出現(xiàn)在第2層，結(jié)構(gòu)設計合理，層間位移角遠小于減震性能目標1/80，結(jié)構(gòu)安全儲備較高，滿足“大震不倒”的性能目標。
6 結(jié)論
本文通過對裝設黏滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)工程實例進行消能減震設計與分析，得出以下結(jié)論：
(1)對比有控與無控結(jié)構(gòu)，有控結(jié)構(gòu)的層間位移角、樓層剪力等結(jié)構(gòu)特性均得到有效控制，黏滯阻尼器對于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能發(fā)揮了很好的作用。
(2)黏滯阻尼器在小震下即可耗能，可應用于高烈度區(qū)或?qū)ㄖ孢m度有要求的建筑。
(3)黏滯阻尼器的滯回曲線呈現(xiàn)出典型的速度相關型耗能特征，滯回曲線均勻飽滿，耗能效果顯著。
(4)阻尼器布置位置、數(shù)量及參數(shù)對結(jié)構(gòu)反應影響較大，設計時需對方案進行優(yōu)化設計。
