應(yīng)用粘滯阻尼器的高烈度區(qū)框-剪結(jié)構(gòu)消能減震分析

鄭維成，馮巖巖，朱 想，張慶文

應(yīng)用粘滯阻尼器的高烈度區(qū)框-剪結(jié)構(gòu)消能減震分析

鄭維成1，馮巖巖1，朱 想2，張慶文1

（1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.北京交通大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100044）

基于云南一棟框-剪結(jié)構(gòu)的醫(yī)院樓，應(yīng)用粘滯阻尼器進(jìn)行減震分析；簡要介紹了粘滯阻尼器的常用布置原則、計(jì)算附加有效阻尼比的方法；采用時(shí)程分析方法對(duì)有無阻尼器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了計(jì)算分析,通過對(duì)比在小震、大震作用下的計(jì)算結(jié)果，得出了設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)體系各項(xiàng)指標(biāo)均得到很大程度的改善的結(jié)論，有效提高了主體結(jié)構(gòu)的安全性能；為類似消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

粘滯阻尼器；減震；時(shí)程分析；耗能；框-剪結(jié)構(gòu)；彈塑性

0 引言

在傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)中，其理論依據(jù)是增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性來抵抗地震，在大震下結(jié)構(gòu)以本身的損壞來消耗地震能量以達(dá)到抗震目的，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中難免遭到嚴(yán)重破壞或倒塌；各種減震及控震技術(shù)的出現(xiàn)，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)抗震的諸多缺陷[1-3]。粘滯阻尼器消能減震技術(shù)是通過在建筑物中設(shè)置粘滯阻尼器，在地震中，從小振動(dòng)到大振動(dòng)均可提供阻尼；通過阻尼器將大量地震能量消耗，使得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)很快減弱，從而減輕震害損失；阻尼器在震后一般不用維護(hù)和更換，即使損壞，震后替換也較容易，可把地震損失降到最低[4-8]。

在1972年，Yao J T P[9]提出結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念，將控制理論應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著控振研究的開始；美國和日本在八十年代末開始流體阻尼器的研究，至今已在高層、大跨度建筑及橋梁等工程中應(yīng)用較多[10-11]；我國是在1980年，王光遠(yuǎn)院士首先提出控振研究；Pall A S[12-13]于1980年研制出Pall摩擦阻尼器,其周期循環(huán)荷載試驗(yàn)表明,該裝置具有良好的滯回性能。粘滯阻尼器最早是應(yīng)用于軍事工業(yè),后來才引入到土木工程等領(lǐng)域，從1991年開始，美國將Taylor公司所設(shè)計(jì)的粘滯阻尼器應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)和橋梁上,且進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)[14]，結(jié)果顯示出較好的耗能能力，其具有經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定及減震效率高等優(yōu)點(diǎn)。

本文以云南一棟醫(yī)院樓為工程實(shí)例，框-剪結(jié)構(gòu)，設(shè)防烈度為8（0.2g）度；第二組，Ⅱ類場地，屬于重點(diǎn)設(shè)防工程，其抗震措施提高1度。該工程位于高烈度地區(qū)，在強(qiáng)震下全剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，造成剪力過大，不經(jīng)濟(jì)也不安全；粘滯阻尼器的一個(gè)特點(diǎn)是能夠?yàn)橹黧w結(jié)構(gòu)提供阻尼力但不提供剛度，能夠很好的改善結(jié)構(gòu)安全性能，有效減少剪力墻的布置和梁柱構(gòu)件截面尺寸[15-20]。因此，為了確保高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)安全，以附設(shè)粘滯阻尼器來消能減震。應(yīng)用時(shí)程分析方法，借助SAP軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了減震分析，最后對(duì)比有無阻尼器體系計(jì)算結(jié)果，評(píng)價(jià)了阻尼器減震效果，為以后類似的減震設(shè)計(jì)提供了借鑒。

1 本工程的減震目標(biāo)

改善結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、延性、耗能性能等結(jié)構(gòu)抗震指標(biāo)，提高體系的抗震能力，層間位移角從規(guī)范要求的多遇地震1/800、罕遇地震1/100提高到1/850、1/120, 基底剪力減少20%。

2 阻尼器的布置

2.1 阻尼器常用布置型式

阻尼器的布置應(yīng)遵循分散、對(duì)稱，沿兩主軸方向布置；對(duì)建筑的使用功能及外立面美觀不會(huì)產(chǎn)生影響。常用的布置形式如圖1所示。

圖1 BRB的布置形式Fig.1 Arrangement mode of BRB

2.2 確定阻尼器參數(shù)、型式及布置

根據(jù)阻尼器的高效性和安裝的簡易性綜合考慮，本工程阻尼器型式選擇懸臂短肢墻式；平面布置如圖2所示。從耗能和造價(jià)角度綜合確定阻尼系數(shù)C=150kN/(mm/s)α，阻尼指數(shù)α=0.15，滿足方程F=CVα。

3 減震結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

3.1 模型概述

圖2 結(jié)構(gòu)平面阻尼器布置圖Fig.2 Simplified layout of damper in plane structure

采用SAP有限元分析軟件建立減震與非減震結(jié)構(gòu)模型，并分析計(jì)算得出相應(yīng)結(jié)果。在SAP中，粘滯阻尼器用連接單元準(zhǔn)確模擬, 框架梁、柱定義為塑性鉸。此模型依據(jù)PKPM模型建立。SAP模型如圖3所示。

圖3 SAP2000結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Structure model of SAP

3.2 結(jié)構(gòu)模型對(duì)比結(jié)果

（1）模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

對(duì)比SAP與PKPM建立的非減震結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)質(zhì)量差在1%以內(nèi)；前三階自振周期差在2%以內(nèi)；結(jié)構(gòu)層間地震剪力最大差為13.5%；差異都比較小，可認(rèn)為兩模型一致。

（2）地震波的選取按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）5.1.2條款，選取了5條天然波和2條人工波[21]。

3.3 SAP彈性分析結(jié)果

所選的5條天然波和2條人工波的加速度時(shí)程曲線（圖4）。

采用SAP提供的快速非線性分析方法進(jìn)行彈性時(shí)程分析，阻尼器考慮其非線性、主體結(jié)構(gòu)設(shè)為線性[22-23]。此分析過程，采用減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)模型對(duì)比分析方式，小震下最大層間位移角見表1，有無阻尼器結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比見表2，圖5、6是分析所得的結(jié)構(gòu)位移角及剪力曲線對(duì)比圖。

表1 小震下最大層間位移角（1/rad）

比較圖5和表1、2得出，位移角X向從1/799減小到1/959，Y向從1/655降到1/803；減震結(jié)構(gòu)較非減震結(jié)構(gòu)有效改善了結(jié)構(gòu)體系的位移角，X向剪力減小到80% 以下，Y向剪力減小到76.5% 以下，增大了結(jié)構(gòu)底部抗剪能力；減震設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)安全性能大大提高，達(dá)到了減震目標(biāo)。

4 耗能計(jì)算

4.1 附加有效阻尼比的計(jì)算

依據(jù)《抗規(guī)》[21]的第12.3.4條：結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比確定方法如下：

（1）附加有效阻尼估算：

式中：aξ——減震結(jié)構(gòu)體系附加有效阻尼比；cjW——消能構(gòu)件在預(yù)期位移下一周期所耗能；sW ——預(yù)期位移下消能體系的總應(yīng)變能。

（2）扭轉(zhuǎn)影響不計(jì)時(shí)，水平地震作用下減震結(jié)構(gòu)總應(yīng)變能估算：

式中：Fi——質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用標(biāo)值；ui——水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值下質(zhì)點(diǎn)的位移。

圖4 7條加速度時(shí)程曲線Fig.4 Seven acceleration time history curves

圖5 小震下有無阻尼器結(jié)構(gòu)最大層間位移角對(duì)比Fig.5 Comparison of the maximum storey drift angle between the damper structure and the non damper structure under small earthquakes

表2 小震下各樓層有無阻尼器結(jié)構(gòu)剪力對(duì)比

4.2 一個(gè)消能部件耗能估算

據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》[24]的第6.3.2條，以下式來計(jì)算阻尼器在水平地震作用下一個(gè)循環(huán)所耗能量：

式中：λ——阻尼折減系數(shù),本工程取值3.70；maxdjF——第j個(gè)阻尼器在水平地震作用下的最大阻尼力；iu?——水平地震作用下，阻尼器位移。

阻尼器耗能所占結(jié)構(gòu)總耗能比例如圖6所示，根據(jù)《抗規(guī)》[21]第12.3.4條估算結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比，計(jì)算結(jié)果見表3。

從（圖6）可以得出，不論在X向還是Y向地震作用下，阻尼器都能夠充分發(fā)揮耗能作用，吸收輸入體系的大量地震能，有效提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。

圖6 結(jié)構(gòu)在不同地震波下阻尼器消能情況Fig.6 Energy dissipation of viscous dampers in structures under different seismic waves

表3 減震結(jié)構(gòu)附加阻尼比（%）

5 減震結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

5.1 結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

彈塑性時(shí)程分析中考慮材料非線性，采用小變形假定，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。選用程序提供的Taylor逐步積分法求解運(yùn)動(dòng)微分方程，γ取0.75，β值取0.39，α為-0.25?；趶椥詴r(shí)程分析，選三條地震波用于彈塑性時(shí)程分析。根據(jù)規(guī)范及場地要求，地震波峰值加速度調(diào)幅為400cm/s2。

圖7 大震下各層層間位移角（rad）Fig.7 The displacement angle of each layer under large earthquakes （rad）

為了分析結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向地震輸入作用下的彈塑性動(dòng)力性能分析，得出結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)結(jié)果。各層層間位移角見圖7、表4。

表4 大震下結(jié)構(gòu)層間位移角

三條波的計(jì)算結(jié)果為：58號(hào)波X向1/154、Y向1/141；22號(hào)波X向1/226、Y向1/216；R02號(hào)波X向1/221、Y向1/205，滿足減震1/120的目標(biāo)。根據(jù)規(guī)范取三條地震波分析結(jié)果包絡(luò)值。

5.2 結(jié)構(gòu)出鉸情況

根據(jù)《抗規(guī)》要求，在地震作用下結(jié)構(gòu)體系的消能機(jī)制應(yīng)合理，允許部分構(gòu)件進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)消能與結(jié)構(gòu)出鉸情況及出鉸順序有關(guān)。下面以58號(hào)波、22號(hào)波和R02號(hào)波在X向、Y向輸入時(shí)結(jié)構(gòu)較薄弱位置一榀框架的出鉸情況（表5、圖8），來說明結(jié)構(gòu)在大震中塑性鉸的發(fā)展情況。

結(jié)構(gòu)塑性鉸在層梁上均勻分布，且梁鉸較先于柱鉸出現(xiàn)，說明結(jié)構(gòu)體系的消能機(jī)制合理,總體結(jié)構(gòu)滿足“柔性耗能，強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念。

表5 大震出鉸情況（X=-9404mm Y=-11667mm ）

圖8 地震波單向輸入時(shí)結(jié)構(gòu)出鉸情況Fig.8 Structure of the hinge when the one-way input seismic wave

6 結(jié)語

應(yīng)用彈性、彈塑性理論，借助SAP2000有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了時(shí)程分析，得到以下結(jié)論：

（1）比較結(jié)構(gòu)層間位移及內(nèi)力可知，減震結(jié)構(gòu)較非減震結(jié)構(gòu)在地震下受力情況得到了較大改善，使得結(jié)構(gòu)的截面更加經(jīng)濟(jì)合理。

（2）從阻尼器耗能所占結(jié)構(gòu)總耗能百分比能夠看出，阻尼器耗能作用充分發(fā)揮，有效減小地震的作用對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，降低震后損失及維護(hù)費(fèi)用。

（3）罕遇地震下構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，從結(jié)構(gòu)出鉸情況統(tǒng)計(jì)表可知梁鉸較先于柱鉸出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的消能機(jī)制合理，滿足延性設(shè)計(jì)要求。

注：22號(hào)——1999年臺(tái)灣集集地震TCU015臺(tái)站記錄；58號(hào)——1999年臺(tái)灣集集地震CHY033臺(tái)站記錄；91號(hào)——1971年San Fernando地震LA - Hollywood Stor FF臺(tái)站記錄；103號(hào)——1992年Landers地震North Palm Springs臺(tái)站記；109號(hào)——1999年臺(tái)灣集集地震TCU046臺(tái)站記錄

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Analysis on Energy Dissipation of Frame Shear Wall Structure with Viscous Dampers in High Seismic Intensity Region

ZHENG Wei-cheng1，F(xiàn)ENG Yan-yan1，ZHU Xiang2，ZHANG Qing-wen1
（1. College of Civil Engineering，Southwest Forestry University，Yunnan Kunming 650224，China; 2. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Based on an existing concrete frame shear-wall structure of medical facility in Yunnan province, studying the energy dissipation for earthquake hazard mitigation using viscous damper. also providing a brief introduction of viscous damper and demonstration of the criterion for damper arrangement, and furthermore it illustrates the calculation method of effective additional damping ratio. This paper analyses different cases for structure with and without viscous damper system and finds that during earthquake the viscous damper improved the characteristic of struc-ture prosperities significantly and made noticeable change of several major parameters for both sustaining low-magnitude and strong earthquake. Thus viscous damper system should be a sufficient method to enhance the safety performance of the main structure. And also provides the reference for similar shock absorption structure design.

viscous damper; vibration reduction; time history analysis; energy dissipation; frame shearwall structure; elastic-plastic

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.014

1674-8565（2017）01-0079-07

2016-10-20

2017-01-10

鄭維成（1986-），男，貴州省遵義市人 ，畢業(yè)于西南林業(yè)大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)主要從事減震設(shè)計(jì)方面的研究工作。E-mail：1482550546@qq.com