基于黏滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)減震性能分析

【摘 要】為促進(jìn)減震技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展，探究黏滯阻尼器的減震性能，以河北省某中學(xué)圖書館為例，以滿足減震結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下性能目標(biāo)為需求，采用黏滯阻尼器進(jìn)行減震結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過對減震結(jié)構(gòu)在多遇、設(shè)防、罕遇地震下進(jìn)行彈性和彈塑性分析，得到結(jié)論：設(shè)置黏滯阻尼器能夠滿足框架結(jié)構(gòu)在各個設(shè)防水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)，黏滯阻尼器能夠顯著增加減震結(jié)構(gòu)的阻尼，具有良好的耗能能力。

【關(guān)鍵詞】減震技術(shù)； 框架結(jié)構(gòu)； 黏滯阻尼器； 彈性分析； 彈塑性分析

【中圖分類號】TU352.1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 工程概況

河北省某中學(xué)圖書館為重點設(shè)防類建筑，采用框架結(jié)構(gòu)，地上4層，高18.6 m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，設(shè)計地震分組第二組，Ⅲ類場地，場地特征周期0.55 s，結(jié)構(gòu)三維模型見圖1。

2 模型建立

2.1 性能目標(biāo)

《建設(shè)工程抗震管理條例》中明確了“八大類”建筑采用減隔震技術(shù)時，應(yīng)保證建筑物在本地區(qū)發(fā)生設(shè)防地震時能夠滿足正常使用要求［1］，為貫徹該條例，根據(jù)結(jié)構(gòu)的體系特點，參考《基于保持建筑正常使用功能的抗震技術(shù)導(dǎo)則》征求意見稿、抗規(guī)等相關(guān)規(guī)定［2-4］，設(shè)定本建筑減震性能目標(biāo)見表1。

2.2 黏滯阻尼器布置方案

黏滯阻尼器是一種速度型阻尼器，不提供額外的剛度，適用于各種地震烈度區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)［5］。本工程采用Maxwell模型來模擬黏滯阻尼器器的力學(xué)性能，其阻尼力-位移滯回曲線見圖2。

本工程的阻尼器布置遵循“均勻、分散、對稱、周邊”的原則，主要布置在結(jié)構(gòu)的中下部，黏滯阻尼器的布置數(shù)量及參數(shù)詳見表2，平面布置如圖3所示。

3 減震性能分析

利用PKPM-JZ軟件建立結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)分析模型，通過設(shè)置墻板式黏滯阻尼器完成減震模型的彈性分析；通過SAUSG軟件對減震模型進(jìn)行彈塑性分析，實現(xiàn)減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能目標(biāo)。

3.1 多遇地震與設(shè)防地震分析

3.1.1 反應(yīng)譜分析

模型建立過程中對黏滯阻尼器進(jìn)行等效線性化，模型計算不再滿足經(jīng)典阻尼假定，結(jié)構(gòu)變?yōu)榉潜壤枘狍w系，因此本文在計算時采用復(fù)振型分解法（CCQC）［6］來進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析。

工程結(jié)構(gòu)劉佳， 王金金， 李立偉， 等： 基于黏滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)減震性能分析

3.1.1.1 多遇地震

多遇地震作用下，無控模型和減震模型的周期和最大層間位移角見表3。

由表3可知，無控模型與減震模型的最大層間位移角均遠(yuǎn)小于1/550，滿足規(guī)范規(guī)定的限值要求［3］。設(shè)置黏滯阻尼器的減震模型與無控模型相比，最大層間位移角明顯減小，結(jié)構(gòu)周期并沒有明顯變化，表明黏滯阻尼器并未提供剛度，只提供了較大的附加阻尼。

3.1.1.2 設(shè)防地震

文獻(xiàn)［4］中明確要求了設(shè)防地震下消能減震結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)，本節(jié)以設(shè)定的性能目標(biāo)為依據(jù)，進(jìn)行減震模型的性能分析。

（1）周期和附加阻尼比。由表4可得設(shè)防地震下，X向和Y向的附加阻尼比分別達(dá)到4.9%和4.3%，說明黏滯阻尼器能夠提供較大阻尼，從而減小結(jié)構(gòu)承擔(dān)的地震能量；減震模型的周期同多遇地震下基本一致，說明黏滯阻尼器不影響結(jié)構(gòu)的周期。

（2）層間位移角和層間剪力。由表5和圖4可知，減震模型層間位移角雖滿足減震性能目標(biāo)要求，但接近于限值，相較于無控模型，層間位移角減小了15%～19%，層間剪力減少了19%～22%，黏滯阻尼器不提供剛度，對減小結(jié)構(gòu)層間位移角的能力有限。

3.1.2 彈性時程分析

文獻(xiàn)［4］中規(guī)定當(dāng)采用振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用時，宜采用時程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計算。因此本節(jié)將對減震模型進(jìn)行設(shè)防地震作用下彈性時程分析。

3.1.2.1 地震波選取

依據(jù)GB 50011-2010（2016版）《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.1.2節(jié)規(guī)定，選取5條然波和2條人工波，地震波的有效峰值加速度為100 cm/s2，最小持續(xù)時間為16.14 s，反應(yīng)譜曲線見圖5，結(jié)構(gòu)底部剪力與反應(yīng)譜法的底部剪力對比見表6。

從表6中可以看出，每條地震波作用下結(jié)構(gòu)底部剪力值均在反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%～135%之間，7條波的平均底部剪力值在80%～120%之間，滿足抗規(guī)要求，因此這7條波可用于減震模型的時程分析。

3.1.2.2 樓層響應(yīng)分析

時程分析中減震模型的樓層響應(yīng)分析主要包括樓層層間位移角和樓層剪力，7條地震波下減震模型的整體指標(biāo)平均值見圖6。

圖6中減震模型的X向、Y向?qū)娱g位移角均滿足減震性能目標(biāo)，X向、Y向的層間剪力值比反應(yīng)譜的剪力值分別減小10%、18%，說明時程分析下減震模型具有更好的抗震性能。

3.1.2.3 黏滯阻尼器分析

黏滯阻尼器性能分析主要從附加阻尼、耗能兩方面進(jìn)行分析。其中附加阻尼比見表7。

表7中反應(yīng)譜法的附加阻尼比小于時程分析法的平均值，因此選擇反應(yīng)譜法計算的附加阻尼比作為黏滯阻尼器的抗震貢獻(xiàn)更為保守，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于安全。

選取TH035TG055天然波和RH2TG055人工波作用下首層某一阻尼器的滯回曲線見圖7。TH035TG055天然波作用下減震模型的能量曲線見圖8。

圖7可知兩條地震波作用下阻尼器滯回曲線整體較為飽滿，耗能效果良好；圖8中阻尼器耗能為724.9 kN·m，約為地震輸入總能量（2 416.2 kN·m）的30%，耗能效果較為CCQC（反應(yīng)譜法）3.53.2顯著，表明黏滯阻尼器在設(shè)防地震作用下具有良好的消能減震能力，可減小輸入到結(jié)構(gòu)的地震能量，起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用。

3.2 罕遇地震分析

本文采用SAUSG-Zeta軟件對減震模型進(jìn)行彈塑性分析，考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性，直接輸入上述7條地震波中的TH069TG055（天然波）、TH035TG055（天然波）、RH2TG055（人工波），地震峰值加速度取220 cm/s2，有效持續(xù)時間從各地震波首次達(dá)到最大峰值的10%算起，到最后一點達(dá)到最大峰值的10%為止，由于結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入塑性階段，周期不進(jìn)行折減［7］。

3.2.1 樓層響應(yīng)分析

罕遇地震作用下，減震模型的層間位移角、樓層剪力見圖9。根據(jù)文獻(xiàn)［4］要求，各項指標(biāo)取三條波時程分析的包絡(luò)值。

圖9中減震模型最大樓層位移角為1/144（X向）和1/149（Y向），兩個方向的位移角均小于1/100，滿足減震性能目標(biāo)。

3.2.2 阻尼器性能分析

罕遇地震下黏滯阻尼器從附加阻尼比和耗能能力兩方面進(jìn)行性能分析［8-9］。

3.2.2.1 附加阻尼比

由表8可以看出，相對于設(shè)防地震作用下，罕遇地震作用下阻尼器提供的附加阻尼比減小，主要原因為罕遇地震作用下地震總應(yīng)變能增加較多，結(jié)構(gòu)主體發(fā)生塑性變形耗散了大量的地震能量，黏滯阻尼器耗散能量占比略有增加，罕遇地震作用下阻尼器較設(shè)防地震耗散的地震能量大幅增加，附加阻尼比與設(shè)防地震相比反而減小。

3.2.2.2 耗能分析

圖10中罕遇地震下黏滯阻尼器的滯回曲線比設(shè)防地震下的更為飽滿，耗能能力增加明顯。

選取TH035TG055波作用下地震輸入總功、應(yīng)變能、結(jié)構(gòu)阻尼耗能能量曲線見圖11。

圖11中減震模型地震總能量為17 215.4 kN·m，黏滯阻尼器吸收的能量為5 376.78 kN·m，黏滯阻尼器耗能約占地震總能量中31%，由上可知在設(shè)防地震與罕遇地震下阻尼器發(fā)揮耗能能力，均能降低輸入到結(jié)構(gòu)的地震能量。

4 結(jié)論

本文通過在多層框架結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置黏滯阻尼器，達(dá)到了減震模型在多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的性能目標(biāo)。利用PKPM-JZ和SAUSG對減震模型進(jìn)行彈性和彈塑性分析，得到幾點結(jié)論：

（1）黏滯阻尼器平面布置方案應(yīng)考慮對結(jié)構(gòu)整體計算的影響，框架結(jié)構(gòu)的阻尼器布置數(shù)量可沿樓層剪力大小適當(dāng)遞減，總數(shù)量根據(jù)結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)確定。

（2）多遇地震作用下，黏滯阻尼器不提供剛度，對結(jié)構(gòu)周期影響較小，能有效地提供附加阻尼，從而減小結(jié)構(gòu)的層間位移角；設(shè)防地震作用下，黏滯阻尼器耗能占比約30%，附加阻尼比達(dá)到4%左右，有效耗散了主體結(jié)構(gòu)地震能量，減震效果最明顯。

（3）罕遇地震作用下，黏滯阻尼器有效減小了樓層剪力，與設(shè)防地震作用下相比耗能能力增加，但由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形耗散了大量的地震能量，總體耗能占比相差不大，附加阻尼比反而減小。

（4）不同設(shè)防水準(zhǔn)下，黏滯阻尼器在耗散地震能量過程提供附加阻尼，能夠減小結(jié)構(gòu)的樓層剪力，采用性能化設(shè)計可保證減震結(jié)構(gòu)有效發(fā)揮作用。

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［作者簡介］劉佳（1995—），男，碩士， 助理工程師，從事減隔震技術(shù)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。