黏滯消能器在工程中的應(yīng)用分析

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(太原市聚川都市建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030024)

引言

在消能減震結(jié)構(gòu)中，阻尼裝置在主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入耗能狀態(tài)前率先進(jìn)入耗能工作狀態(tài)，耗散了大量輸入結(jié)構(gòu)體系的地震、風(fēng)振能量，使主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)大大減少，從而有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，避免使其受到損壞。

消能器種類繁多，大體可分為位移相關(guān)型和速度相關(guān)型兩種。位移相關(guān)型消能器的耗能與其自身變形和相對滑動位移有關(guān)，常見的有金屬屈服消能器和摩擦消能器。速度相關(guān)型消能器的阻尼特性與加載頻率有關(guān)，常用的有黏滯消能器和黏彈性消能器。本文將針對黏滯消能器在工程中的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行闡述。

1 工程概況

某工程為太原市某雙語幼兒園，位于尖草坪區(qū)，北臨北中環(huán)、東臨北澗河、西側(cè)為山西某學(xué)院、南側(cè)為勝利街。該工程為框架結(jié)構(gòu)，地上三層，地下二層，地上建筑總高度為13.34 m。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)和工程地質(zhì)檢測結(jié)果，擬定工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，建筑物場土類別為Ⅲ類；工程抗震等級為一級。

2 減震方案選取

該工程主體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用北京某軟件股份有限公司開發(fā)的YJK軟件進(jìn)行。經(jīng)計(jì)算，該結(jié)構(gòu)X方向上地震作用下的最大樓層位移角為1/579，Y方向上地震作用下的最大樓層位移角為1/513。樓層Y方向位移角大于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5.1條規(guī)定的最大要求1/550。因此，該工程結(jié)構(gòu)必須采取相應(yīng)措施。同時，根據(jù)2014年《山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知》(晉建質(zhì)字〔2014〕115號)的要求，該工程必須采用減震技術(shù)?？紤]到施工的易操作性和減震技術(shù)產(chǎn)生的費(fèi)用，該工程優(yōu)先考慮采用減震技術(shù)。由于該工程Y方向上地震作用下的最大樓層位移角為1/513，只要略微增加結(jié)構(gòu)的阻尼比或剛度便可滿足規(guī)范的要求。該工程初步考慮用黏滯消能器增加結(jié)構(gòu)阻尼比，共設(shè)消能器八組，其中一、二層各四組，X方向上兩組，Y方向上兩組。單個消能器的最大阻尼力為400 kN，具體布置位置如圖1所示(圖中VFD為消能器)。

圖1 粘滯阻尼器布置圖

3 動力分析采用地震波的選取

在不同地震波的作用下，黏滯消能器耗能不同，因此，不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的附加阻尼比也不一樣。該工程根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)中5.1.2條規(guī)定，選取三條地震波(天然波N0 675、N0 737、人工波R 33)進(jìn)行計(jì)算。彈性時程分析結(jié)果與YJK振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果對比見表1，比例為各個時程分析與振型分解反應(yīng)譜法得到的結(jié)構(gòu)基底剪力之比。

表1 時程分析基底剪力

表1數(shù)據(jù)符合GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)中5.1.2條規(guī)定，故地震波選取正確。

4 彈性時程分析

該項(xiàng)目采用ETABS(v9.7.4)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的動力特性分析。將建立好的ETABS模型與YJK模型進(jìn)行質(zhì)量、周期及基底剪力的對比，具體見表2。

表2 ETABS模型與YJK模型對比

結(jié)果表明，所建立的ETABS模型是正確的。

5 附加阻尼比的確定

5.1 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算阻尼比

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)中12.3.4條規(guī)定，消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按下列方法確定。

消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按(1)式估算：

(1)

不計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響時，消能減震結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的總應(yīng)變能，可按(2)式估算：

Ws=(1/2)∑Fiui

(2)

5.2 根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》計(jì)算阻尼比

根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297—2013)的6.3.2條第5款規(guī)定，非線性黏滯消能器在水平地震作用下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量，可按(3)式計(jì)算：

Wcj=λ1Fdjmax△uj

(3)

5.3 附加阻尼比的計(jì)算結(jié)果

附加阻尼比的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 附加阻尼比的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果分析，結(jié)構(gòu)附加阻尼比最小值為7.91%，根據(jù)DB JT 04—39—2015《建筑消能減震設(shè)計(jì)構(gòu)造》(晉14G08)取折減系數(shù)為0.7，最終取值為5.0%

6 多遇地震下消能器性能分析

分別選取X、Y方向的消能器，可繪制其滯回曲線。因黏滯消能器形成飽滿的滯回曲線，在多遇地震下是結(jié)構(gòu)耗能的主要構(gòu)件。因此推斷多遇地震下黏滯消能器能夠很好地發(fā)揮消能減震的作用，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供5%的附加阻尼比，是多遇地震時結(jié)構(gòu)的主要耗能構(gòu)件。

7 彈塑性時程分析

7.1 確定性能目標(biāo)

構(gòu)件的性能標(biāo)準(zhǔn)為離散的三個性能點(diǎn)，立即使用、生命安全和防止倒塌。立即使用是指地震后不間斷運(yùn)行，稍加修理后可立即使用；生命安全是指地震后間斷運(yùn)行，經(jīng)適當(dāng)修理后可以繼續(xù)使用；防止倒塌是指地震時嚴(yán)重破壞，但仍未倒塌，地震后幾乎不能繼續(xù)使用。以我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范為基礎(chǔ)，參照ASCE 41—13性能水準(zhǔn)，制定了具體的性能目標(biāo)，見表4。

表4 構(gòu)件性能目標(biāo)

7.2 分析模型

該工程使用PERFORM-3D軟件對其進(jìn)行大震性能評估。PERFORM-3D的鋼筋或鋼材本構(gòu)關(guān)系有理想彈塑性模型和雙線性隨動強(qiáng)化模型兩種，該工程的鋼筋或鋼材采用隨動強(qiáng)化模型?；炷敛豢紤]其受拉作用，受壓采用Mander模型，以考慮箍筋對混凝土的約束作用，對其強(qiáng)度及延性的提高作用。樓板假定采用剛性樓板，其中梁、柱均采用集中塑性鉸模型，梁采用M鉸，柱采用PMM鉸。消能子結(jié)構(gòu)的梁和柱的彎曲與剪切破壞均采用強(qiáng)度截面進(jìn)行校核，其中梁采用彎矩和剪力強(qiáng)度截面，柱采用PMM和V強(qiáng)度截面。

該工程選用兩條天然波和一條人工波，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)提供的大震加速度峰值為0.40g，X方向和Y方向分量之比調(diào)整后分別沿建筑物兩個主軸各輸入一次，進(jìn)行時程分析。

7.3 分析結(jié)果

7.3.1 整體地震反應(yīng)評估

根據(jù)計(jì)算分析在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)頂部X方向最大位移為0.086 m；Y方向最大位移為0.090 m，結(jié)構(gòu)X方向最大層間位移角為1/133；Y方向最大層間位移角為1/116。最大彈塑性層間位移角均小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的限值1/50，滿足大震不倒的抗震設(shè)防要求。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X方向最大基底剪力為9 414 kN；Y方向最大基底剪力為9 772 kN。X方向最大基底傾覆力矩為77 977 kN·m；Y方向最大基底傾覆力矩為79 121 kN·m。上述結(jié)果說明，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下已有構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，結(jié)構(gòu)整體承載力及剛度有所下降，但仍具有一定的剛度和承載能力，保持在大震中不倒。

7.3.2 構(gòu)件性能評估

框架梁：最大的塑性變形處于有限控制性能段，小于CP性能點(diǎn)。

框架柱：最大的塑性變形處于破壞控制性能段，小于LS性能點(diǎn)。

黏滯消能器：X方向和Y方向黏滯消能器的最大變形均<50 mm，小于其設(shè)計(jì)位移；最大阻尼力均<400 kN，小于其設(shè)計(jì)最大阻尼力，在罕遇地震作用下，黏滯消能器仍能夠正常工作，發(fā)揮耗散能量的作用。

子結(jié)構(gòu)：子結(jié)構(gòu)梁和柱的大震性能目標(biāo)為滿足極限承載力要求，計(jì)算彎曲和壓彎承載力時，材料強(qiáng)度采用極限值；計(jì)算剪切承載力時，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值。通過計(jì)算分析得出，子結(jié)構(gòu)梁的彎曲應(yīng)力比以及子結(jié)構(gòu)柱的壓彎應(yīng)力比均<1，最大剪力小于受剪承載力，滿足大震極限承載力要求。

8 結(jié)語

采用減震技術(shù)前后結(jié)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 減震前后計(jì)算指標(biāo)及結(jié)果對比

通過對結(jié)構(gòu)的整體模型進(jìn)行彈性和彈塑性時程分析，采用不同地震波分析了結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向地震輸入時結(jié)構(gòu)的抗震性能。得出以下結(jié)論：

8.1 小震作用下，結(jié)構(gòu)主體呈彈性，黏滯消能器開始耗能為結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)附加阻尼比。罕遇地震作用下構(gòu)件開始進(jìn)入塑性，框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸，而后柱子出現(xiàn)柱鉸，結(jié)構(gòu)總體滿足強(qiáng)柱弱梁的要求。

8.2 結(jié)構(gòu)在大震作用下，只有部分構(gòu)件進(jìn)入塑性，出現(xiàn)塑性鉸；表明結(jié)構(gòu)附設(shè)了黏滯消能器后，具有良好的抗震耗能機(jī)制，保證了建筑結(jié)構(gòu)的安全，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

8.3 罕遇地震作用下，各黏滯消能器發(fā)揮了良好的耗能能力，為結(jié)構(gòu)主體提供了良好的安全保證。

8.4 采用減震技術(shù)后結(jié)構(gòu)的鋼筋含量明顯減少，因此采用減震技術(shù)有一定經(jīng)濟(jì)性。