結(jié)構(gòu)附加液體黏滯阻尼器抗震性能分析

張 淼

(云南中鼎建筑設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650228)

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結(jié)構(gòu)附加液體黏滯阻尼器抗震性能分析

張 淼

(云南中鼎建筑設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650228)

以7度區(qū)某辦公樓工程為例，對該結(jié)構(gòu)附加黏滯阻尼器進(jìn)行了彈塑性動力時(shí)程分析，結(jié)果說明，附加黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)抗震性能得到了提高，結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)概念，減震效果達(dá)到了預(yù)期的性能目標(biāo)。

黏滯阻尼器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，動力時(shí)程分析，抗震性能

0 引言

我國地處世界兩大地震帶的交匯處，地震發(fā)生的頻度和烈度較高；我國將近70%的地區(qū)為地震區(qū)；地震是一種突發(fā)性，毀滅性的自然災(zāi)害，是人類面臨的最大自然災(zāi)害之一。如2008年汶川地震導(dǎo)致受災(zāi)面積達(dá)到13萬km2，地震不僅造成人員傷亡，而且造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 000多億元人民幣。減輕地震災(zāi)害是一項(xiàng)巨大的工程，國家曾明確提出“以預(yù)防為主”，通過提高結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)來減輕或避免損失。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震是通過結(jié)構(gòu)的塑性變形來吸收地震動輸入能量[1]，但是在高烈度區(qū)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系中構(gòu)件的布置與建筑布置之間存在很大的矛盾。而且構(gòu)件剛度越大，地震時(shí)所吸收的地震能量也越大，造成建筑既不經(jīng)濟(jì)，也不適用。

消能減震結(jié)構(gòu)是指在結(jié)構(gòu)適當(dāng)位置布置耗能器，在地震作用時(shí)通過耗能器產(chǎn)生相對位移或相對速度耗能，從而減輕結(jié)構(gòu)主體損傷。黏滯阻尼器是一種速度型阻尼器，由活塞與阻尼液相對運(yùn)動產(chǎn)生阻尼，其主要優(yōu)點(diǎn)是對結(jié)構(gòu)主頻幾乎無影響，可有效控制結(jié)構(gòu)的加速度，減小結(jié)構(gòu)的附加作用。而且其設(shè)計(jì)方法簡單，成為目前工程中應(yīng)用最為廣泛的耗能器[1]。

1 工程概況

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)抗震安全等級

為二級，結(jié)構(gòu)所在場地設(shè)防烈度為7度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本加速度為0.1g；根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，結(jié)構(gòu)場地類別為Ⅱ類土，地震分組為第三組，特征周期為0.45 s。

該工程結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)共6層(不含凸出屋面部分)，建筑總高度23.8 m，首層層高3.9 m，第二層層高4.7 m,其余層高均為3.8 m，總建筑面積32 711 m2，模型結(jié)構(gòu)三維有限元如圖1所示。

2 抗震方案與減震方案對比

在嘗試采用傳統(tǒng)抗震方案時(shí)，構(gòu)件的截面尺寸較大，與建筑的功能不相適應(yīng)，而且構(gòu)件的超筋現(xiàn)象較為嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)剛度增加，在地震作用下結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量也越大，這樣導(dǎo)致很不經(jīng)濟(jì)，而且安全性不高。

采用黏滯阻尼器減震方案后，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的截面尺寸可大大減小，在小震下黏滯阻尼器為結(jié)構(gòu)附加阻尼比，結(jié)構(gòu)響應(yīng)得到有效控制，達(dá)到預(yù)期的減震性能目標(biāo)，在罕遇地震下安全性儲備較高，最后確定采用黏滯阻尼器減震方案。

3 減震設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)采用PKPM軟件進(jìn)行試算，計(jì)算出結(jié)構(gòu)達(dá)到性能目標(biāo)所需的總阻尼比為7%，即需要附加2%的阻尼比，按照“均勻、對稱、分散”的原則進(jìn)行布置，最后采用阻尼器的數(shù)量總共為44個(gè)，其中X向22個(gè)，Y向22個(gè)，阻尼系數(shù)C取100 kN/(mm/s)0.15，懸臂墻為200 mm×1 500 mm。

采用大型通用有限元軟件ETABS 復(fù)核阻尼器實(shí)際附加阻尼比，計(jì)算結(jié)果表明：X向以及Y向附加阻尼比分別為3.47%，3.69%。附加阻尼比滿足要求，而且富余較多，可以提高結(jié)構(gòu)的安全儲備，說明阻尼器位置布置合理，阻尼器能夠發(fā)揮較好的效果。

4 減震分析

4.1 地震波的選取

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(簡稱抗規(guī))[2]要求，消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按場地類別、地震分組選用天然波和人工波，其中天然波的數(shù)量不應(yīng)小于所選用地震波總數(shù)的2/3。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在對結(jié)構(gòu)減震小震彈性分析時(shí)一般選擇7條波進(jìn)行，其中5條天然波和2條人工波，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性分析時(shí)一般選擇2條天然波和1條人工波，時(shí)程反應(yīng)譜(多遇下為35 gal)與規(guī)范反應(yīng)譜5%阻尼比對比如圖2所示。從圖2中可以看出，所選地震波滿足規(guī)范要求，時(shí)程平均值與規(guī)范譜在主要周期點(diǎn)上相差小于20%。

4.2 小震下的結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

在SAP2000中有限元分析軟件中，黏滯阻尼器通常采用damper阻尼單元進(jìn)行模擬阻尼器的行為，采用快速非線性分析(FNA)方法對有阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，無阻尼器的結(jié)構(gòu)采用線性分析方法，如圖3，圖4所示，分別列出了2條天然波和1條人工波在7度小震作用時(shí)無控結(jié)構(gòu)和有控結(jié)構(gòu)層間位移角曲線。

對比圖3與圖4可知，結(jié)構(gòu)在沒有裝設(shè)阻尼器(無控)時(shí)層間位移角接近1/650,加阻尼器(有控)結(jié)構(gòu)層間位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于性能目標(biāo)1/650,說明附加阻尼器結(jié)構(gòu)的位移得到有效控制，結(jié)構(gòu)安全性大大提高，達(dá)到預(yù)期設(shè)定的減震目標(biāo)，在地震作用下結(jié)構(gòu)損傷較小。

4.3 大震下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

該工程罕遇地震模型采用SAP2000進(jìn)行建模分析，《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》中[3]規(guī)定：加設(shè)阻尼器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該比傳統(tǒng)非減震結(jié)構(gòu)的抗震性能有所提高，在軟件中通過定義塑性鉸來模擬構(gòu)件的塑性發(fā)展行為[4]。動力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下首先出現(xiàn)梁端塑性鉸，然后出現(xiàn)少量的柱鉸，大震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值小于1/100，滿足抗規(guī)限值1/50，滿足“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)理念，結(jié)構(gòu)抗震性能較高。

5 結(jié)語

本文通過對一辦公樓采用黏滯阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計(jì)分析，對比非減震結(jié)構(gòu)，減震能有效減小截面尺寸，建筑功能滿足要求，阻尼器在小震下附加阻尼比，增大了結(jié)構(gòu)阻尼比，在大震下充分發(fā)揮耗能作用。層間位移角小震下3條波包絡(luò)值遠(yuǎn)小于1/650，大震下包絡(luò)值小于1/100，達(dá)到預(yù)期減震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)的安全度得到很大提高。

[1] 周 云.黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2006.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.

Analysis of seismic behavior of structural additional viscous dampers

Zhang Miao

(YunnanOrientMansionArchitecturalDesignCo.,Ltd,Kunming650228,China)

Take the office building engineering in 7 degree zone as an example, it carries out elastic dynamic time-history analysis for the structure with viscous damper, results show that the seismic performance of the viscous dampers is improved greatly. The structure satisfies the design concept of strong columns and weak beams, and the shock absorption effect achieves the expected performance targets.

viscous dampers, structure design, dynamic time history analysis, seismic performance

1009-6825(2017)07-0027-02

2016-12-20

張 淼(1983- )，男，工程師

TU352.1

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