某幼兒園框架結(jié)構(gòu)粘滯阻尼器減震分析

羅榮++楊麗++徐彬++陳進(jìn)

摘要：結(jié)合昆明市某幼兒園四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的工程實例，采用ETABS對該幼兒園進(jìn)行消能減震分析，用附加非線性阻尼單元模擬粘滯阻尼器。結(jié)果表明，多遇地震時，結(jié)構(gòu)層剪力、層間位移角較未加阻尼器前有顯著減?。淮笳饡r，層間最大位移角也能顯著減小；兩種情況下的位移角均滿足規(guī)范要求。

Abstract： Combined with the cases of four-storey reinforced concrete frame structure of a kindergarten in Kunming City， the software ETABS was adopted for energy dissipation analysis of the kindergarten. The viscous dampers was simulated with additional nonlinear damping units in this paper. The results show that the structural layer shear， and interlayer displacement angle have been reduced obviously than before strengthening for more severe earthquake.The largest interlayer displacement angle can significantly reduce for larger earthquake. The both displacement angle can satisfy the requirements of specification.

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；消能減震；粘滯阻尼器；彈塑性分析

Key words： frame structure；energy dissipation；viscous damper；elastic-plastic analysis

中圖分類號：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0096-04

0 引言

在2008年汶川地震后，國務(wù)院提出了校舍安全工程，即對現(xiàn)有建筑進(jìn)行加固，對新建建筑提高其抗震設(shè)防等級，采用有效的抗震措施[1]。為落實并貫徹國務(wù)院精神，云南省人民政府辦公廳文件，《關(guān)于加快推進(jìn)減隔震技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的意見》[2]，要求在云南省地震區(qū)、特別是高烈度地震區(qū)的工程抗震中，通過在建筑物的抗側(cè)力體系中設(shè)置消能部件，以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。文章提到的實際工程是一個幼兒園建筑，屬重點(diǎn)設(shè)防類工程，根據(jù)以上文件和建設(shè)方的要求，采用消能減震設(shè)計來進(jìn)一步提高建筑物的可靠性和安全性。

對建筑物進(jìn)行消能減震設(shè)計時，可以使用阻尼器來達(dá)到此目的。自上個世紀(jì)七十年代后，這種減震設(shè)計方式就廣泛應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)工程，并且發(fā)展十分迅速，尤其是粘滯阻尼器。周云[3]、翁大根[4]、郭道元[5]等均指出使用阻尼器對建筑物進(jìn)行加固，在地震力的作用下，阻尼器能產(chǎn)生很大的阻尼，抵消結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移，有效地吸收和消耗了地震能量，顯著地降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而達(dá)到了消能減震的目的。

1 工程概況

該工程為昆明市某幼兒園四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)工程，地上4層，長67m，寬32m，層高均為3.3m，建筑平面圖如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)采用粘滯阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式采用矩形鋼筋混凝土梁、柱作為框架，其中柱尺寸為400～800，梁截面尺寸為b（200～550）、h（250～850）?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本加速度為0.2g，地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期取0.4s。該幼兒園設(shè)計為丙類建筑，汶川地震后，GB50233-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[6]將中小學(xué)歸為乙類建筑，因此需要進(jìn)行減震設(shè)計。

2 SATWE與ETABS非減震結(jié)構(gòu)模型對比

為了校核所建立的結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，使用ETABS和SATWE分別建立的非減震結(jié)構(gòu)的計算模型，設(shè)置各階振型阻尼均為5%，將二者分別計算得到的質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角進(jìn)行對比，模型圖見圖1，對比結(jié)果見表1。

從表1對比結(jié)果可以看出，用于本工程減震分析計算的ETABS模型與PKPM模型，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、各層剪力、樓層位移及最大層間位移角方面的差異很小，故兩模型基本上是一致的，可以認(rèn)為ETABS模型的分析結(jié)果是可靠的，下文層剪力和層位移角的分析取用ETABS的計算結(jié)果。

3 阻尼器布置方案的確定

本結(jié)構(gòu)中，阻尼器的布局如圖2所示：X向：2～3層，每層2個阻尼器，共4個；Y向：2～3層，每層2個阻尼器，共4個。阻尼器的連接如圖3所示，該工程共用阻尼器8個。

4 結(jié)構(gòu)的減震分析

在對結(jié)構(gòu)使用時程分析法的時候，應(yīng)該按照建筑場地類別和設(shè)計地震分組，選用實際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，但是其所選取的實際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)該少于總時程曲線的2/3[7]。在進(jìn)行罕遇地震時程分析時，每一條時程曲線的計算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)該小于振型分解反應(yīng)譜計算結(jié)果的65%。在進(jìn)行多條時程曲線計算時所得到的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)該小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。這樣，從工程的角度考慮，保證了時程分析結(jié)果可以滿足最低安全性的要求。另外分析計算的結(jié)果也不能太大，即每一條地震波輸入計算不大于135%，平均不大于120%。

本實際工程采用了彈性時程分析法進(jìn)行了計算，采用如前所述的5條天然波和2條人工波模擬加速度時程曲線，其反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

采用時程分析法時，應(yīng)選用不少于二組實際強(qiáng)震記錄和一組人工波[7]。對該幼兒園進(jìn)行多遇地震、大震時程的分析時，可以得到如下結(jié)論：在多遇地震下，有阻尼結(jié)構(gòu)的層間剪力減小24.1%～33.6%，層間位移角減小21.5%～50.4%，X向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/688、1/965，Y向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/560、1/861，滿足規(guī)范要求的1/550；大震下，有阻尼結(jié)構(gòu)的層間位移角減小10.55%～66.78%，最大位移角1/141，滿足規(guī)范1/50的要求。下文僅給出了具體的分析結(jié)果。

4.1 多遇地震結(jié)構(gòu)的層間位移角

在ETABS分析中，多遇地震時程分析采用ETABS軟件提供的快速非線性分析方法，即只考慮阻尼器的非線性、結(jié)構(gòu)本身假設(shè)為線性。該工程無阻尼模型與有阻尼模型在多遇地震下各層層間位移角的對比結(jié)果，見圖5。

通過圖5可以看出，多遇地震下：安裝阻尼器結(jié)構(gòu)的層間位移角顯著減小，X向?qū)娱g位移角減小21.5%～49.9%，Y向?qū)娱g位移角減小24.9%～50.4%；X向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/688、1/965，Y向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/560、1/861，滿足規(guī)范要求的1/550。

4.2 大震下結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析時，需要考慮材料的非線性、采用小變形的假設(shè)、不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。對于結(jié)構(gòu)的運(yùn)動微分方程的求解，可以選用程序自帶的逐步積分法，其中β值取0.25，γ值取0.5，Alpha系數(shù)得值取為0。按規(guī)范對所選地震波進(jìn)行調(diào)幅，調(diào)幅后的峰值加速度設(shè)置為400cm/s2。

在對結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析過程中，以彈性時程分析為基礎(chǔ)，選取三條地震波計算分析，最終的計算結(jié)果選取三條地震波作用下的包絡(luò)值。

為測試分析目標(biāo)結(jié)構(gòu)在不同地震波，不同地震波輸入方向下，結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，還對結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向地震輸入作用下，結(jié)構(gòu)的彈塑性動力性能進(jìn)行了分析研究，并得到結(jié)構(gòu)地震作用下的位移響應(yīng)結(jié)果，如表2所示是大震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角。

不同地震波輸入下結(jié)構(gòu)的層間位移角的計算結(jié)果為：71號波X向1/154、Y向1/141；165號波X向1/158、Y向1/148；R01號波X向1/177、Y向1/187。通過對不同地震波的時程分析，按照規(guī)范要求，三條地震波可取為包絡(luò)值。

5 結(jié)語

①安裝阻尼器后，結(jié)構(gòu)的層間剪力和層間位移角都有明顯減小，表明阻尼器能有效吸收地震能量，降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。②彈塑性時程分析，使用三條地震波分析了結(jié)構(gòu)在X向和Y向地震輸入時結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，通過對三條波的計算，按照規(guī)范要求，三條地震波可取為包絡(luò)值。③罕遇地震作用下，與阻尼器相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件也相繼進(jìn)入塑性，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要著重注意消能構(gòu)件的設(shè)計，使其滿足性能目標(biāo)的要求。④基于性能的消能減震設(shè)計，是對超規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個思路，但仍需做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱蕊，陶忠，白良.防屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析[J].低溫建筑技術(shù)，2014，198（12）：63-65.

[2]云南省人民政府辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)減隔震技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的意見（云政辦發(fā)[2011]55號）.

[3]周云.粘滯阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢理工大學(xué)出版社，2006.

[4]翁大根，陳廷君，呂西林，任曉崧.某鋼筋混凝土框架增設(shè)阻尼器抗震加固分析[J].工程抗震與加固改造，2007，29（3）：65-71.

[5]郭道遠(yuǎn)，裴星洙.同時設(shè)置金屬和粘滯阻尼器的鋼框架結(jié)構(gòu)減震效果研究[J].工程抗震與加固改造，2010，32（6）：42-53.

[6]GB50223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].