粘滯阻尼器在某醫(yī)院住院樓中消能減震分析與設(shè)計(jì)

曾綺琪

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑的抗震性能要求越來(lái)越高，目前，人們常常通過(guò)安裝消能減震設(shè)備來(lái)提高建筑的安全儲(chǔ)備，以此實(shí)現(xiàn)委托方提出的相關(guān)減震設(shè)計(jì)目標(biāo)[1-2]。本文以某醫(yī)院住院樓的框架結(jié)構(gòu)建筑為例，進(jìn)行粘滯阻尼器減震設(shè)計(jì)，保證該結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的正常使用性能。在ETABS軟件中，首先建立了可靠的結(jié)構(gòu)無(wú)控模型。然后，使用MATLAB程序[3]選取7條合適的地震波，并使用e2k文件輸入地震波參數(shù)。較傳統(tǒng)的選波方式，該法可節(jié)約大量時(shí)間，并減少模型失誤。由此，得到了基于ETABS軟件建立的有控模型。通過(guò)選取的地震波，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的時(shí)程分析。最后，對(duì)比分析了增加粘滯阻尼器和原本結(jié)構(gòu)的部分動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)層間剪力、層間位移角等參數(shù)有無(wú)控后的變化以及能量法測(cè)算的粘滯阻尼器的耗能情況可以得出該粘滯阻尼器布置方案的可行性。

1 工程概況及模型建立與驗(yàn)證

圖1為結(jié)構(gòu)的空間桿系有限元分析模型，計(jì)算對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知，將結(jié)構(gòu)的PKPM模型與ETABS模型的周期計(jì)算加以比較，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)所建ETABS模型11階振型的周期與PKPM計(jì)算結(jié)果的基本一致，所有的誤差基本低于10%。同時(shí)，ETABS模型的總質(zhì)量為39 248.11 t，設(shè)計(jì)院提供的SATWE模型總質(zhì)量則為40 342.15 t，誤差率只有2.79%。根據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果，可以把ETABS得到的無(wú)控模型用來(lái)作為非減震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算的基準(zhǔn)模型[4-5]，并在后續(xù)進(jìn)行消能減震分析。

圖1 結(jié)構(gòu)三維有限元分析模型

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果及其對(duì)比

2 輸入地震動(dòng)評(píng)價(jià)

輸入地震動(dòng)的頻譜特性是會(huì)影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的，若地震動(dòng)主要頻率成分與結(jié)構(gòu)頻率接近，結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)響應(yīng)就會(huì)加強(qiáng)[6-7]，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 5011—2010)[8]中對(duì)地震波選取的多條要求中，有一條較難實(shí)現(xiàn)。這要求時(shí)程分析法中算得的每條地震波的結(jié)構(gòu)底部剪力和7條地震波得到的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值分別不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法所得結(jié)果的65%、80%。使用過(guò)去方法選波，需要對(duì)剪力進(jìn)行驗(yàn)算，該法本末倒置且選波效率低。為了滿足上述規(guī)范的所有要求，本文根據(jù)地震波庫(kù)的頻譜分析，采用MATLAB程序，選用了2條人工合成的地震波和5條天然地震記錄的地震波，一共7條地震波。然后使用e2k命令文件，將地震波和時(shí)程分析參數(shù)導(dǎo)入到ETABS模型中得到有控模型[9]。其中，標(biāo)準(zhǔn)化后的地震波時(shí)程曲線如圖2所示。

(a) RH1TG055波(DZ1)

(b) RH3TG055波(DZ2)

(c) Big Bear-01_NO_905波(DZ3)

(d) Big Bear-01_NO_932波(DZ4)

(e) Chi-Chi, Taiwan，China-02_NO_2188波(DZ5)

(f) Chi-Chi, Taiwan，China-04_NO_2712波(DZ6)

(g) Chi-Chi, Taiwan，China-04_NO_2737波(DZ6)

3 粘滯阻尼器的選型與布置

增加布置粘滯阻尼器時(shí)，可為結(jié)構(gòu)增加阻尼，因此，其等效阻尼比會(huì)增加[10]。本次委托方要求為附加阻尼比5%。在綜合了該結(jié)構(gòu)的建筑平面布置、抗震要求、粘滯阻尼器的布設(shè)原則[11]等多方情況，并進(jìn)行了多次迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)[12]，最后擬定了阻尼器布置方案。在該結(jié)構(gòu)中，共布設(shè)了60套粘滯阻尼器，布置形式均使用單節(jié)點(diǎn)單阻尼器，并采取墻體支撐的安裝方法。其中，粘滯阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下，行程為±50 mm，阻尼系數(shù)為210 kN/(mm/s)α，阻尼指數(shù)為0.2，設(shè)計(jì)阻尼力為750 kN。

4 減震控制效果分析

4.1 結(jié)構(gòu)樓層與基底剪力

首先，驗(yàn)證了樓層剪力的減振效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置了粘滯阻尼器后，在X方向上，減震控制效果最大為46%，Y方向最大為36%。以此驗(yàn)證了本阻尼器布置方案能有效降低結(jié)構(gòu)的層間剪力。各樓層詳細(xì)的樓層剪力減震效果見(jiàn)表2。其中Ⅰ為原結(jié)構(gòu)均值，Ⅱ?yàn)闇p震結(jié)構(gòu)均值。

表2 地震作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力

4.2 結(jié)構(gòu)層間位移角

其次，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)層間位移角的減振效果。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置了粘滯阻尼器后，結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角最大減震效果達(dá)43%，Y向達(dá)到36%。各樓層詳細(xì)的層間位移角減震效果見(jiàn)表3。其中I為原結(jié)構(gòu)均值，Ⅱ?yàn)闇p震結(jié)構(gòu)均值?？梢缘贸霰咀枘崞鞑贾梅桨改苡行Ы档徒Y(jié)構(gòu)的層間位移角。

表3 地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角倒數(shù)(1/θ)

4.3 結(jié)構(gòu)粘滯阻尼器耗能性能分析

隨意抽取某粘滯阻尼器的滯回曲線，圖3為結(jié)構(gòu)在地震波Big Bear-01_NO_932波(DZ4)作用下X、Y向某粘滯阻尼器的滯回曲線。由圖3可知，該粘滯阻尼器的滯回曲線形狀飽滿，可以說(shuō)明粘滯阻尼器充分耗能，可以有效衰減地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，有效減震控制。

(a)X向

(b)Y向

最后，按照《建筑消能減震技術(shù)規(guī)范》(JGJ 297—2013)[13]中公式，使用能量法計(jì)算由于消能部件的附加得到的結(jié)構(gòu)有效阻尼比。計(jì)算得到，阻尼耗能X向?yàn)?59 435 kN·mm，Y向?yàn)?28 507 kN·mm；總應(yīng)變能X向?yàn)?56 564 kN·mm，Y向?yàn)?70 804。X向附加阻尼比為8.10%，Y向附加阻尼比為5.99%，滿足委托方要求。

5 結(jié) 論

1)采用ETABS軟件建立的有限元模型周期質(zhì)量計(jì)算結(jié)果與委托方交予的KPKM模型基本一致，可用于后續(xù)消能減震分析。

2)在結(jié)構(gòu)中，按照一定原則有效增設(shè)非線性粘滯阻尼器，可有效降低結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)。因此，適當(dāng)布置粘滯阻尼器可以滿足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震要求和增加抗震安全儲(chǔ)備。

3)按照最后阻尼器的布置方案，現(xiàn)有控結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，X方向?qū)蛹袅^原結(jié)構(gòu)最大減震效果達(dá)45.88%，Y方向?qū)蛹袅^原結(jié)構(gòu)最大減震效果達(dá)36.26%；結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角減小，最大減震效果達(dá)43.23%，結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角亦有一定幅度減小，最大減震效果達(dá)到37.55%，該布置方案減震效果良好。

4)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)阻尼比為10%，結(jié)構(gòu)自身阻尼比為5%。該減震控制方案通過(guò)設(shè)置了多套粘滯阻尼器來(lái)增加結(jié)構(gòu)的附加阻尼。由能量法計(jì)算得到，在多遇地震下，X向等效附加阻尼比為8.10%，Y向等效附加阻尼比為5.99%，所提減震控制方案分別在X、Y向達(dá)到了委托方要求。

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