粘滯流體阻尼器消能減震與工程實例分析

張志浩+潘文

摘要： 在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，消能減震結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的抗震性能而得以廣泛的運用。云南省地域內(nèi)包含多條地震斷裂帶，消能減震技術(shù)的推廣和應(yīng)用有著十分重要的意義。本文以昌寧三中宿舍樓的減震設(shè)計為例，介紹消能減震技術(shù)及黏滯阻尼器；對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析，對比減震與非減震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。分析結(jié)果表明：與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，黏滯阻尼器的運用，減小了結(jié)構(gòu)的層間位移和層間剪力，大幅度提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

Abstract： In the structural design of building， because of its excellent seismic performance， energy dissipation structure is widely used. Yunnan Province has a number of seismic fracture zone， the promotion and application of energy dissipation technology has a very important significance. This article takes the design of an dormitory building as an example， introducing the energy dissipation technology and the viscous damper. Through the elastic plastic time history analysis of the structure， the seismic response of damping structure and non-damping structure are compared. The analysis results show that： compared with traditional structure， the application of viscous dampers reduces the story drift and story shear force， and greatly improves the seismic performance of the structure.

關(guān)鍵詞： 消能減震；黏滯阻尼器；抗震性能；時程分析

Key words： energy dissipation；viscous damper；seismic performance；time history analysis

中圖分類號：TU973+.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0118-03

0 引言

近年來，大地震頻發(fā)，它自身的破壞性和所引發(fā)的次生災(zāi)害嚴(yán)重威脅了人類的生存和發(fā)展。同時，隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的大幅度提高，我國建筑行業(yè)部門對房屋結(jié)構(gòu)抗震性能的要求也越來越高。云南省地域內(nèi)包含多條地震斷裂帶，如中甸下關(guān)地震帶、小江地震帶、馬邊昭通地震帶和九龍永勝地震帶等。在歷次大地震中，這些地區(qū)受災(zāi)極為嚴(yán)重。云南省人民政府令（第202號）第3條指出下列建筑應(yīng)當(dāng)采用隔震減震技術(shù)：抗震設(shè)防烈度7度以上區(qū)域內(nèi)三層以上、且單體建筑面積1000平方米以上的學(xué)校、幼兒園校舍和醫(yī)院醫(yī)療用房建筑工程；抗震設(shè)防烈度8度以上區(qū)域內(nèi)單體建筑面積1000平方米以上的重點設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑工程；地震災(zāi)區(qū)恢復(fù)重建三層以上、且單體建筑面積1000平方米以上的公共建筑工程。

消能減震技術(shù)能夠有效地減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，當(dāng)?shù)卣饋砼R時，粘滯特性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)阻尼的增加，阻尼器消耗了大部分能量，保護(hù)了主結(jié)構(gòu) [1]?？紤]到黏滯阻尼器具有良好的滯回耗能能力和穩(wěn)定性能，本工程決定采用黏滯阻尼器作為耗能部件，通過其附加阻尼與結(jié)構(gòu)體系共同存儲和消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)。

1 消能減震技術(shù)概要

1.1 消能減震技術(shù)原理

從能量守恒的角度分析被動控制的原理[2]：

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

Ein=ER+ED+ES （1）

消能減震結(jié)構(gòu)：

Ein=ER+ED+ES+EA （2）

式中：Ein-輸入結(jié)構(gòu)的外部能量；ER-結(jié)構(gòu)物振動的動能和勢能；ED-結(jié)構(gòu)阻尼消耗的能量；ES-主體結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件非彈性變形消耗的能量；EA-被動消能裝置消耗的能量。

在消能減震結(jié)構(gòu)體系中，地震輸入總能量（Ein）中的絕大部分轉(zhuǎn)化為被動消能裝置消耗的能量（EA），從而大大降低了主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。根據(jù)國內(nèi)外振動臺實驗數(shù)據(jù)，消能減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)可比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)降低40%-60%，且結(jié)構(gòu)越高、越柔，消能減震效果越顯著[2]。

1.2 消能減震設(shè)計方案

本工程減震設(shè)計方案主要包括以下內(nèi)容：①根據(jù)設(shè)計要求，確定結(jié)構(gòu)的減震、性能目標(biāo)；②確定目標(biāo)附加阻尼比，阻尼器的參數(shù)、數(shù)量、安裝位置及型式：③根據(jù)規(guī)范要求，選取地震波；④多遇地震下，進(jìn)行彈性時程分析；⑤計算附加有效阻尼比；⑥罕遇地震下，進(jìn)行彈塑性時程分析；⑦調(diào)整不滿足要求的構(gòu)件；⑧對與減震部件相連接的部位設(shè)計分析。

2 黏滯阻尼器概要

2.1 阻尼器的力學(xué)原理及性能

本工程選用黏滯阻尼器作為耗能部件，黏滯阻尼器按其力學(xué)原理可分為：利用封閉填充材料“流動阻抗”的“流動阻抗式”和利用黏滯體“剪切阻抗”的“剪切阻抗式”，其基本原理是利用黏滯體的流動或者剪切產(chǎn)生阻尼力[3]。

黏滯阻尼器能夠在為結(jié)構(gòu)提供較大阻尼的同時不過多改變結(jié)構(gòu)的剛度（不提供附加剛度），所以不會由于阻尼器的附設(shè)而減小結(jié)構(gòu)的自振周期從而加大地震作用。此外，黏滯阻尼器受外界環(huán)境、溫度和激勵頻率的影響較小，工作性能穩(wěn)定。endprint

2.2 阻尼器的布置原則

阻尼器平面內(nèi)的布置宜遵循“均勻、分散、對稱”的原則[4-6]；在豎向布置時，阻尼器應(yīng)布置在地震響應(yīng)較大樓層，宜形成沿結(jié)構(gòu)高度均勻的結(jié)構(gòu)控制體系，避免因剛度和阻尼突變而形成薄弱層[2]。

3 工程概況

本工程為云南省某小學(xué)多層宿舍樓，混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，1-5層，層高3.9m，總建筑面積5000m2（依照政府要求，應(yīng)當(dāng)使用隔震減震技術(shù)），建筑模型見圖1。其基本設(shè)計參數(shù)如下：抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本加速度為0.20g，地震分組為第三組。

4 阻尼器參數(shù)、數(shù)量及布置

5 地震波的選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》5.1.2[5]的要求，本工程選用7條地震波進(jìn)行計算分析，其時程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜曲線見圖3。

6 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性時程分析

本工程采用了彈性時程分析法進(jìn)行了計算，采用如前所述的五條天然波和兩條人工波，其加速度時程曲線如圖4所示。

層間位移角、層間剪力對比分析（僅X方向）（圖5～8）

7 結(jié)語

①耗能減震技術(shù)是房屋建筑減小地震反應(yīng)的有效方法和途徑，它通過阻尼器的附加阻尼比吸收了大量的地震能量，大大減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

②黏滯阻尼器有良好的滯回特性，經(jīng)合理設(shè)計和布置后，能夠增加安全性，減少成本，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

③歷次地震表明，減震結(jié)構(gòu)較非減震結(jié)構(gòu)，其層間位移和層間剪力顯著下降，且能滿足“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“小震不壞、中震可修、大震不倒”[5]等規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴星洙，賀方倩.消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（4）：60-65.

[2]張志強(qiáng)，李愛群.建筑結(jié)構(gòu)黏滯阻尼減震設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012，12.

[3]日本隔震結(jié)構(gòu)協(xié)會.被動減震結(jié)構(gòu)設(shè)計·施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]JGJ297-2013建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[5]GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.endprint