配置粘滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)的有限元分析

康 楠

（太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山西 太原 030002）

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)抗震性能要求越來越高，減震隔震技術(shù)日益得到廣泛應(yīng)用。消能減震結(jié)構(gòu)主要是通過在主體結(jié)構(gòu)體系中設(shè)置減震裝置（阻尼器、屈曲約束支撐等），使其在地震發(fā)生時吸收能量，從而降低主體結(jié)構(gòu)體系的地震響應(yīng)以保護主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)安全，并有效降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及配筋。該技術(shù)對高烈度區(qū)的重點設(shè)防類建筑有顯著效果。本文通過對太原某幼兒園建筑的消能減震結(jié)構(gòu)的有限元分析，探討了粘滯阻尼器在減震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 工程概況

工程位于太原市萬柏林區(qū)，地上3 層（局部2 層頂設(shè)室外活動平臺），無地下室，1~3 層層高均為3.9m，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高度12.6m，總建筑面積為2183.70m2。該結(jié)構(gòu)計算模型主視圖如圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)計算模型主視圖

擬建工程所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度（0.20g），設(shè)計地震分組為第二組。擬建場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.55s，建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），框架結(jié)構(gòu)抗震等級一級。

根據(jù)《山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知（第115 號）》晉建質(zhì)字〔2014〕115 號文件要求，抗震設(shè)防烈度8 度區(qū)的新建幼兒園必須采用減隔震技術(shù)。該工程采用配置粘滯阻尼器的消能減震方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 減震設(shè)計

2.1 減震設(shè)計方法

首先根據(jù)建筑條件對該工程使用PKPM 軟件進行結(jié)構(gòu)建模計算，初步得到結(jié)構(gòu)整體計算指標(biāo)，然后使用Etabs 軟件進行結(jié)構(gòu)有限元計算與分析。通過對比PKPM 軟件和Etabs 軟件的非減震模型計算結(jié)果可知，Etabs分析軟件和PKPM結(jié)構(gòu)軟件模型計算得到的質(zhì)量差值為-0.8%，周期最大差值為-4.24%和主要樓層層間剪力最大差值為3.4%，兩者計算結(jié)果接近，因此Etabs 軟件作為該工程減震分析的有限元計算軟件是準(zhǔn)確的，可以真實地反映結(jié)構(gòu)基本特性。通過對PKPM非減震模型計算，初步確定該工程結(jié)構(gòu)體系目標(biāo)阻尼比確定為8%（即附加阻尼比為3%），此時既可滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)體系的指標(biāo)要求，又能使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸及配筋均較為合理。

2.2 阻尼器布置及參數(shù)

綜合考慮減震目標(biāo)及建筑功能的需要，共布置9臺阻尼器，布置如下：X 方向4 臺（第1、2 層各分別布置2 臺），Y 方向5 臺（第1 層3 臺，第2 層2 臺）。阻尼器參數(shù)如下：型號：NZNQW-500kN-e50，設(shè)計阻尼力：500kN，阻尼系數(shù)：650kN/（m/s）0.3，阻尼指數(shù)：0.3，首層阻尼器平面布置如圖2所示。

圖2 首層阻尼器平面布置圖

2.3 多遇地震作用計算

該工程選取5 條天然波和2 條人工波進行時程分析，7條波平均值與振型分解反應(yīng)譜法的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%。地震波在兩個方向基底剪力最小值與最大值分別為反應(yīng)譜計算結(jié)果的86.3%和107.1%，滿足規(guī)范對差值<±35%的要求，且7條時程曲線：80%＜平均基底剪力均＜120%，滿足規(guī)范要求，可以用于工程設(shè)計。

計算得到的減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下各層層間位移角見表1 所示，由表1 可知計算結(jié)果均小于1/550，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）表5.5.1 要求的“鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)△u/h應(yīng)小于1/550”。通過設(shè)置阻尼器，結(jié)構(gòu)各層層間位移角均有所減小，進一步提高了結(jié)構(gòu)的安全儲備，阻尼器發(fā)揮了很好的耗能能力，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表1 多遇地震下各層層間位移角

計算得到減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下各層層間剪力見表2所示。由表2可知，減震結(jié)構(gòu)計算得到的各層層間剪力均小于未設(shè)置消能器的非減震結(jié)構(gòu)（減震率13.9%~22%），減震效果顯著且符合預(yù)期。

表2 多遇地震下各層層間剪力

2.4 罕遇地震作用計算

該工程選取2 條天然波和1 條人工波進行時程分析，3條波平均值與振型分解反應(yīng)譜法的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。該工程的抗震設(shè)防烈度為8度，地震峰值加速度為0.20g，特征周期在原基礎(chǔ)上增加0.05s，即特征周期0.55+0.05=0.6s。多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%。地震波在2 個方向基底剪力最小值與最大值分別為反應(yīng)譜計算結(jié)果的96%和113.8%，滿足規(guī)范對差值小于±35%的要求，且3 條時程曲線：80%＜平均基底剪力值＜120%，滿足規(guī)范要求，可以用于工程設(shè)計。

計算得到的減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下各層彈塑性層間位移角見表3所示。由表3可知，各層彈塑性層間位移角均小于1/50，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）表5.5.5 要求的“鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)彈塑性位移角限值△u/h應(yīng)小于1/50”。通過設(shè)置阻尼器，結(jié)構(gòu)各層層間位移角均有所減小，進一步提高了結(jié)構(gòu)的安全儲備，阻尼器發(fā)揮了很好的耗能能力，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表3 罕遇地震下各層層間彈塑性位移角（X向）

計算得到的減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下各層層間剪力見表4所示。由表4可知，減震結(jié)構(gòu)計算得到的各層層間剪力均小于未設(shè)置消能器的非減震結(jié)構(gòu)（減震率11.8%~21.5%），減震效果顯著且符合預(yù)期。

表4 罕遇地震下各層層間剪力

計算得到減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，阻尼器最大出力為477kN，最大位移為41.4mm。根據(jù)阻尼器最大出力和位移要求，初步選定阻尼器參數(shù)為：設(shè)計阻尼力500kN，設(shè)計位移50mm。

2.5 附加阻尼比計算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》12.3.4 規(guī)定消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按照下式計算：

式中：Wcj——第j個消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；

Ws——設(shè)置消能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。

多遇地震情況下阻尼器為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼比結(jié)果：X向附加阻尼比5.22%，Y向附加阻尼比4.55%，包絡(luò)附加阻尼比4.55%。根據(jù)《山西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集》（DBJT04-39-2015，晉14G08）總說明第七.7 條的要求，附加有效阻尼比應(yīng)考慮消能器性能偏差，乘以調(diào)整系數(shù)0.7，即附加有效阻尼比為4.55%×0.7=3.19%。

罕遇地震情況下阻尼器為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼比結(jié)果：X向附加阻尼比2.67%，Y向附加阻尼比2.57%，包絡(luò)附加阻尼比2.57%。根據(jù)《山西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集》（DBJT 04-39-2015，晉14G08）總說明第七.7條的要求，附加有效阻尼比應(yīng)考慮消能器性能偏差，乘以調(diào)整系數(shù)0.7，即附加有效阻尼比為2.57%×0.7=1.80%。

3 結(jié)束語

本文通過建模對擬建工程的消能減震結(jié)構(gòu)進行有限元分析后，得出以下結(jié)論：

（1）多遇地震情況下設(shè)置粘滯阻尼器為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼比結(jié)果：X 向附加阻尼比5.22%，Y 向附加阻尼比4.55%，包絡(luò)附加阻尼比4.55%，乘以調(diào)整系數(shù)0.7后附加有效阻尼比為3.19%，滿足附加阻尼比3%的要求；

（2）減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下各層層間位移角計算結(jié)果均小于1/550，減震結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下各層彈塑性層間位移角均小于1/50，滿足規(guī)范要求；

（3）減震結(jié)構(gòu)計算得到的各層層間剪力均小于未設(shè)置粘滯阻尼器的非減震結(jié)構(gòu)的層間剪力，減震效果明顯。