采用粘滯阻尼器對某幼兒園進行消能減震設計

丁自想 劉紅塵 呂航（廣州大學土木工程學院）

采用粘滯阻尼器對某幼兒園進行消能減震設計

丁自想 劉紅塵 呂航（廣州大學土木工程學院）

以位于8度抗震設防地區的某框架幼兒園為研究對象，采用粘滯阻尼器消能減震設計，基于ETABS有限元分析軟件，在小震和大震作用下對該框架結構的樓層剪力、層間位移角、減震前后框架柱的配筋對比等進行了減震前后的震動控制效果對比分析。結果表明：增設粘滯阻尼器后，該框架幼兒園的樓層剪力和層間位移角得到有效控制，小震作用下層間位移角的減震效果達到38.57%，大震作用下粘滯阻尼器充分發揮了耗能能力，有效改善了結構的安全性能，并達到預期抗震設計目標。

消能減震設計；框架結構；粘滯阻尼器；減震效果

1 引言

消能減震是指在建筑物的抗側力結構中設置消能器，消耗部分地震能量，降低結構的地震作用，達到預期設防目標的房屋減震設計［1］。粘滯阻尼器屬于速度相關型阻尼器，能夠將地震輸入主體結構的能量大量消耗掉，從而達到保護主體結構的目的。粘滯阻尼器最早在土木工程中的應用源自美國的橋梁工程［2］，后因其具有可重復使用、不影響結構周期和原設計、破壞后便于更換等優點，近年來被廣泛應用于土木工程中。墨西哥市長大樓［3］、波士頓110大樓［4］、北京銀泰大樓［5］等著名工程采用粘滯阻尼器消能減震設計，以上工程已經證明了阻尼器在建筑抗震中能起到很好的作用。本文基于某幼兒園框架結構工程實例，利用ETABS軟件對其進行了小震、大震作用下的有限元分析，研究了結構增設粘滯阻尼器后減震結構與原結構的動力響應，對比分析了減震結構在結構樓層剪力、層間位移角等方面的減震控制效果，同時對粘滯阻尼器的耗能情況進行了分析。

2 工程概況

3層框架幼兒園，總高度11m，建筑面積2942m2，結構標準層平面圖如圖1所示。該結構采用現澆鋼筋混凝土框架結構體系，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為8度，設計基本加速度為0.2g，建筑場地為III類，設計地震分組為第一組。

本工程擬采用帶粘滯阻尼器的框架結構體系，一定程度上改善結構的抗震性能，使結構在小震、大震作用下能滿足《建筑抗震設計規范》［6］（GB50011-2010）（簡稱抗規）的1/550和1/50限值要求，提高結構在小震、大震作用下的安全儲備。

圖1 結構標準層平面圖

3 結構消能減震設計方案

3.1 粘滯阻尼器布置

綜合考慮建筑使用功能、結構抗震要求和多次優化設計，決定在結構第二層X、Y兩個方向各布置2套粘滯阻尼器，共計4套。由于使用功能，門窗等條件的限制，本工程阻尼器擬采用單節點單阻尼器墻體支撐的安裝方式，粘滯阻尼器均設置在第2層的梁柱中，具體阻尼器安裝示意圖如圖2所示。阻尼器安裝位置如圖1所示（橢圓標記）。

3.2 粘滯阻尼器的選型

本工程擬采用雙出桿型粘滯流體阻尼器。粘滯流阻尼器主要由缸體、活塞、活塞桿和粘滯流體等組成，在外界激勵下，活塞桿在缸體內移動，迫使受壓流體通過孔隙或縫隙，進而產生阻尼力。粘滯阻尼器的阻尼力F與活塞運動速度v之間具有下列關系：F=Cvα，其中：C為阻尼系數，α為速度指數。粘滯阻尼器設計參數與數量分別見表1。

圖2 粘滯阻尼器墻體支撐安裝示意圖

表1 結構粘滯阻尼器設計參數與數量

3.3 地震波的選取

按抗規的要求，本工程擬采用RH3（人工波）、RH4（人工波）、ELC、KAR、TH1、TH3、TH4共七條地震波。彈性時程分析時每條時程曲線計算所得結構底部剪力均超過振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值均大于振型分解反應譜法計算結果的80%，時程分析所采用的地震動滿足抗規要求。地震時程曲線加速度平均反應譜與規范規定的反應譜對比見圖3，由圖3可以看出，在結構主要振型周期點上，地震波時程的平均影響系數與規范反應譜相差不大于20%，滿足抗規要求。

圖3 規范譜與地震波譜對比圖

4 地震作用下結構的消能減震分析

4.1 結構動力特性的對比

所建Etabs模型減震前后前3階振型的周期見表2。由表2可以看出結構減震前后周期相差不大，說明增設粘滯阻尼器不影響結構的周期。

表2 結構減震前后周期對比表

4.2 結構水平剪力計算

小震作用下，結構減震前后7條地震波計算所得樓層剪力平均值的對比如圖4所示。由圖4可見，增設阻尼器后，樓層剪力減小，減震后結構X、Y向的剪力比原結構X、Y向的剪力最大減小率分別為47.06%、45.96%。可見，結構中增設阻尼器后，有效提高了結構在地震作用下的安全性能。

圖4 結構樓層剪力對比

4.3 結構水平位移計算

小震、大震作用下，結構減震前后7條地震波計算所得層間位移角平均值的對比如圖5所示。由圖5可見，小震下，原結構彈性層間位移角平均值滿足規范限值1/550，但是部分地震波的層間位移角超過規范的限值，增設粘滯阻尼器后，Y向減震效率較大，減震后Y向結構位移角最大減小率為38.57%，由1/546由變為1/982，可見，粘滯阻尼器發揮了很好的耗能能力，提高結構的安全性能。大震下，原結構的彈塑性層間位移角雖在規范的限值1/50內，但消能減震結構的彈塑性層間位移角也有一定程度的減小，X向減震效率較大，減震后X向的位移角最大減小率為15.45%，由1/78變為1/93，可見，粘滯阻尼器發揮了很好的耗能能力，提高了結構的安全性能。

4.4 結構框架柱的配筋計算

柱的截面尺寸為b×h=600mm×600mm，混凝土的強度等級C40，框架柱采用對稱配筋，鋼筋等級為HRB400，縱向鋼筋的截面面積為As1，縱向受拉鋼筋的截面面積為As，縱向受力鋼筋的最小配筋率為ρmin，取0.55%，縱向受力鋼筋的最小截面面積為As，min，As，min=ρminbh=1980mm2。與阻尼器相鄰框架柱的編號如圖1所示 （黑色數字標記）。小震作用下與粘滯阻尼器相鄰框架柱的配筋如表3所示。減震后框架柱的配筋均小于最小配筋面積，取最小配筋面積，即減震后框架柱的配筋面積為1980mm2，由表3可見減震后框架柱的配筋顯著降低。小震作用下1柱的P-M曲線如圖6所示。

4.5 粘滯阻尼器耗能性能分析

小震、大震作用下部分粘滯阻尼器的耗能曲線如圖7所示。由圖7可知，非線性粘滯阻尼器在小震、大震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點，說明粘滯阻尼器具有優越的耗能能力，衰減地震輸入結構中的能量，進而提高結構的抗震儲備。

圖5 結構層間位移角對比

圖6 1柱的P-M曲線圖

表3 框架柱減震前后配筋對比

圖7 粘滯阻尼器滯回曲線

4.6 等效附加阻尼比的計算

附加阻尼比計算方法采用規范建議的能量法，采用7組地震波進行時程分析，按《建筑消能減震技術規程》［7］JGJ297-2013第6.3節中公式進行計算并取平均值，計算公式如下：

式中各參數詳見《建筑消能減震設計規程》6.3.2條規定。

按照式（1）算得的結構X、Y向等效附加阻尼比分別為6.50%、9.37%。

4.7 與阻尼器連接的墻體支撐截面設計

與粘滯阻尼器連接的墻體支撐截面擬采用：墻體截面寬度b=300（mm），截面長度h=1700（mm），保護層厚度as=30（mm），支撐墻體高度1200mm，混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400。

式（2）～（6）各參數詳見抗規相關規定。

按照式（2）～（6）算得，墻體截面的抗剪承載力Vu與阻尼器阻尼力引起的剪力Vd的比值為1.86，大于1；墻體截面抗彎承載力Mu與阻尼力引起的墻端彎矩Md的比值為1.07，大于1。故本工程擬采用與粘滯阻尼器連接的墻體支撐滿足截面抗剪承載力要求且滿足截面抗彎承載力要求。

5 結論

⑴減震結構在小震下樓層剪力與層間位移角顯著降低，最大減小率分別為47.06%（Y方向）、32.93%（Y方向）。小震、大震作用下粘滯阻尼器的滯回曲線飽滿，粘滯阻尼器在小震、大震中都有很好的減震作用。大大增強了結構的整體抗震能力，提高了結構的安全性。

⑵減震后，結構在小震下層間位移角小于1/550，大震下層間位移角小于1/50，滿足抗規要求。

⑶按以上消能減震設計，結構增設的阻尼器可為結構提供6%的附加阻尼比。

⑷減震后框架柱的配筋顯著降低，框架柱配筋最大減小率為42.5%，說明阻尼器發揮了很好的減震效果。●

［1］唐家祥.建筑隔震與消能減震設計［J］.建筑科學，2002，1: 21-27+44.

［2］魏錦濤.液體粘滯阻尼器及其在土木工程中的應用［J］.四川建筑科學研究，2006，2:124-128+135.

［3］A Rahimian，Enrique Martinez Romero.Standing Tall for the Torre Mayor Project at Mexico City［J］.Modern Steel Construction，2003，4:1-8.

［4］Robert J.Mcnamara，Douglas P Taylor.Fluid Viscous Dampers for High-Rise Building［J］.Structural Design Tall Special Building，2003，12:145-154.

［5］馬良喆，陳永祁，趙廣鵬.銀泰中心主塔樓采用液體粘滯阻尼器的減振設計［J］.建筑結構，2009，05:23-28+33.

［6］GB50011-2010建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［7］JGJ297-2013建筑消能減震設計規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2013.