黏彈性阻尼器在某框架結構減震中的研究

譚小蓉

西安鐵路職業(yè)技術學院（710600）

黏彈性阻尼器在某框架結構減震中的研究

譚小蓉

西安鐵路職業(yè)技術學院（710600）

以某框架結構為例，采用黏彈性阻尼器對結構進行抗震加固，通過有限元對該工程進行地震反應分析，對抗震能力不足之處采取加固措施。分析表明，采用黏彈性阻尼器加固能有效降低結構的地震反應，有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，在建筑物的抗震加固中將會有廣闊的前景。

黏彈性阻尼器；地震反應；抗震加固

0 引言

中國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶活動頻繁。地震災害的頻繁發(fā)生對我國的經(jīng)濟發(fā)展與人民生命安全造成了巨大的威脅。減少地震災害對建筑結構的影響是減少地震傷亡人數(shù)及經(jīng)濟損失的直接辦法,科研人員通過長期對結構震動控制的研究，使結構震動控制的方法不斷發(fā)展，其成果也逐漸被應用到工程實際中去，并取得了良好的效果。

1 耗能減震原理與耗能減震器的分類

傳統(tǒng)的抗震結構體系容許結構及承重構件（梁、柱、節(jié)點等）在地震中出現(xiàn)損壞，其損壞過程是耗散能量的過程，而結構及構件的嚴重損壞或倒塌就是地震能量轉(zhuǎn)換或消耗的最終完成。結構的耗能減震技術是在結構物的某些部位（如支撐、剪力墻、節(jié)點、連接件、樓層空間、主附結構間等）設置耗能裝置，通過耗能裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲彈塑性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結構中的能量，從而減小主體結構的地震反應。耗能減震裝置可以依據(jù)不同的材料、不同的耗能機理和不同的構造來制造。耗能減震器的品種有很多種，按耗能減震器與位移和速度相關性可分為位移相關型耗能減震器、速度相關型耗能減震器和位移與速度相關型耗能減震器；按制造耗能減震器所用的材料可分為金屬耗能器、黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器；按耗能減震器的耗能機理可分為摩擦型耗能器、彈塑性耗能器、黏彈性阻尼器、黏滯阻尼器和電（磁）感應式耗能器。

2 工程概況

西安某賓館建于20世紀80年代，經(jīng)過長時間使用及“5.12”汶川大地震后，該建筑物出現(xiàn)了不同程度的損傷。經(jīng)計算，該建筑物已不能滿足現(xiàn)在的抗震設防要求，故建設單位對其進行抗震改造及加固。該建筑物主體結構為7層鋼筋混凝土框架結構房屋，一層層高5.7 m，二層至五層層高2.8 m，六層層高3.0 m，七層層高3.9 m，總建筑面積約為3 600 m2。根據(jù)對現(xiàn)場進行詳細檢測，對該建筑物采用PKPM進行結構驗算。結果表明，該建筑物的層間位移角為1/445，不能滿足國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》中對其的要求限值。現(xiàn)采用黏彈性阻尼器消能減震控制方法對該樓進行減震控制，使其結構滿足抗震規(guī)范要求。

3 減震方案

3.1 阻尼器選型

黏彈性阻尼器性能可靠、構造簡單、制作方便、造價低廉，不用改變結構的形式，也不需要外部能源輸入提供控制力，并能給結構提供剛度和較大的阻尼，其滯回曲線近似于橢圓形，耗能能力強，能有效地減小建筑物風振及地震反應，具有廣泛的工程適用性。黏彈性阻尼器既可用于新建工程中，又可用于震損結構和舊建筑物的加固及修復工程中。因此本工程采用黏彈性阻尼器。

3.2 阻尼器布置方案的確定

黏彈性阻尼器是由高耗能黏彈性材料和約束鋼板組成，鋼板和黏彈性材料通過硫化的方法黏結在一起。在地震激勵作用下，阻尼器產(chǎn)生位移，阻尼器中的黏彈性材料因變形而耗散大量能量，從而達到減小結構振動的目的。本工程所采用的黏彈性阻尼器如圖1所示，布置形式是在交叉斜撐上設置黏彈性阻尼器，如圖2所示。

本工程在盡量不影響建筑正常功能使用的前提下,沿結構的邊沿的柱間設置黏彈性阻尼器，阻尼器的參數(shù)根據(jù)當?shù)氐哪昶骄鶜鉁睾徒Y構的動力特性運用自編的優(yōu)化程序確定，以更好地符合結構的受力特性。阻尼器的數(shù)量、位置通過多輪時程分析進行優(yōu)化調(diào)整后確定,結構中阻尼器的布置位置為：一層的A軸-（1-3，14-16）跨間，B軸-（1-3）跨間，B軸-（14-16）跨間，B軸-（3-5）跨間，C軸-（1-3）跨間，C軸-（10-12）跨間，C軸-（4-6）跨間，3軸-（A-C）跨間，4、13軸-（A-C）跨間，5軸-（A-C）跨間，14軸-（A-C）跨間，6軸-（A-C）跨間，8、10軸-（A-C）跨間，12軸-（A-C）跨間。

圖1 黏彈性阻尼器詳圖

圖2 黏彈性阻尼器布置形式

3.3 結構的減震分析

地震波選用El-Centro波，加速度峰值調(diào)整為0.07 g，步長0.02 s，持時30 s。采用SAP2000軟件對結構分析，框架結構模型如圖3所示。

圖3 框架結構模型圖

1）模態(tài)分析結果

表1 未加阻尼和加阻尼時模態(tài)周期和頻率對比表

從振型的周期橫向?qū)Ρ戎锌芍贾灭椥宰枘崞骱螅Y構的周期減小，頻率增大，說明設置黏彈性阻尼器后，結構的剛度有所增加，結構的動力性能有所改變。

2）層間位移角分析

加入黏彈性阻尼器后結構X、Y方向的層間位移角得到了很好的控制，特別是黏彈性阻尼器使得結構的層間位移角減小到了規(guī)范允許的范圍內(nèi)，使其滿足了抗震規(guī)范的要求，保證了結構在多次地震下的變形要求。其具體的層間位移及層間位移角對比數(shù)如圖4～5所示。

圖4 結構X方向激勵下X方向?qū)娱g位移對比圖

圖5 結構Y方向激勵下Y方向?qū)娱g位移對比圖

表2 結構X方向激勵下層間位移角對比表

表3 結構Y方向激勵下層間位移角對比表

根據(jù)以上對該建筑物X、Y方向的計算結果，黏彈性阻尼器對于該建筑物的減震效果在8%～35%（各層均不相同），較好地起到了控制作用。通過在結構上設置黏彈性阻尼器后，結構的地震響應明顯減小，結構的層間位移角減小到了規(guī)范允許的范圍內(nèi)，這在保護框架結構安全，降低工程造價等方面均能夠起到重要的意義。

5 結語

通過對西安某賓館采用黏彈性阻尼器進行減震加固的研究，經(jīng)分析得出以下結論：

1）施工現(xiàn)場無濕作業(yè)，基本不影響原建筑的正常使用功能。

2）黏彈性阻尼器造價低廉，同時具有剛度和阻尼，具有安全可靠、安裝維修方便快捷、減震效果良好等優(yōu)點，是本工程減震方案較為理想的選擇。

3）對該結構采用EL-Centro波進行了減震分析,表明由于黏彈性阻尼器同時具有阻尼耗能和調(diào)整結構剛度的特性使得整體結構的動力特性發(fā)生了明顯的改變，調(diào)整了結構的整體剛度，結構的抗震性能得到明顯改善，層間位移角減小到了規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

4）采用黏彈性阻尼器的方案可以縮短工期，能在該建筑物抗震加固過程中進行實際應用，對其他工程實例也有一定的指導意義。

[1]劉軍生.粘彈性阻尼器在鋼筋混凝土框架結構中的應用研究[D].西安：西安建筑科技大學,2010.

[2]周云.金屬耗能減震結構設計[M].武漢：武漢理工大學出版社,2006.

[3]鄧濤.粘彈性阻尼器減震性能研究與優(yōu)化分析[D].湖南大學碩士論文,2005.

[4]Keel C.J.and Mahmoodi P Designing of Viscoelastic Dampers for Columbia Center Building.