結構附加液體黏滯阻尼器抗震性能分析

張 淼

(云南中鼎建筑設計有限公司，云南 昆明 650228)

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結構附加液體黏滯阻尼器抗震性能分析

張 淼

(云南中鼎建筑設計有限公司，云南 昆明 650228)

以7度區某辦公樓工程為例，對該結構附加黏滯阻尼器進行了彈塑性動力時程分析，結果說明，附加黏滯阻尼器的結構抗震性能得到了提高，結構符合強柱弱梁的設計概念，減震效果達到了預期的性能目標。

黏滯阻尼器，結構設計，動力時程分析，抗震性能

0 引言

我國地處世界兩大地震帶的交匯處，地震發生的頻度和烈度較高；我國將近70%的地區為地震區；地震是一種突發性，毀滅性的自然災害，是人類面臨的最大自然災害之一。如2008年汶川地震導致受災面積達到13萬km2，地震不僅造成人員傷亡，而且造成的直接經濟損失達8 000多億元人民幣。減輕地震災害是一項巨大的工程，國家曾明確提出“以預防為主”，通過提高結構的抗震設防目標來減輕或避免損失。隨著經濟的發展，人們對結構的抗震性能提出了更高的要求。傳統的結構抗震是通過結構的塑性變形來吸收地震動輸入能量[1]，但是在高烈度區，傳統結構體系中構件的布置與建筑布置之間存在很大的矛盾。而且構件剛度越大，地震時所吸收的地震能量也越大，造成建筑既不經濟，也不適用。

消能減震結構是指在結構適當位置布置耗能器，在地震作用時通過耗能器產生相對位移或相對速度耗能，從而減輕結構主體損傷。黏滯阻尼器是一種速度型阻尼器，由活塞與阻尼液相對運動產生阻尼，其主要優點是對結構主頻幾乎無影響，可有效控制結構的加速度，減小結構的附加作用。而且其設計方法簡單，成為目前工程中應用最為廣泛的耗能器[1]。

1 工程概況

本工程結構設計使用年限為50年，建筑結構抗震安全等級

為二級，結構所在場地設防烈度為7度；結構設計基本加速度為0.1g；根據地質勘查報告，結構場地類別為Ⅱ類土，地震分組為第三組，特征周期為0.45 s。

該工程結構體系為現澆鋼筋混凝土框架結構，主體結構共6層(不含凸出屋面部分)，建筑總高度23.8 m，首層層高3.9 m，第二層層高4.7 m,其余層高均為3.8 m，總建筑面積32 711 m2，模型結構三維有限元如圖1所示。

2 抗震方案與減震方案對比

在嘗試采用傳統抗震方案時，構件的截面尺寸較大，與建筑的功能不相適應，而且構件的超筋現象較為嚴重，結構剛度增加，在地震作用下結構所吸收的地震能量也越大，這樣導致很不經濟，而且安全性不高。

采用黏滯阻尼器減震方案后，結構主要受力構件的截面尺寸可大大減小，在小震下黏滯阻尼器為結構附加阻尼比，結構響應得到有效控制，達到預期的減震性能目標，在罕遇地震下安全性儲備較高，最后確定采用黏滯阻尼器減震方案。

3 減震設計方案

結構采用PKPM軟件進行試算，計算出結構達到性能目標所需的總阻尼比為7%，即需要附加2%的阻尼比，按照“均勻、對稱、分散”的原則進行布置，最后采用阻尼器的數量總共為44個，其中X向22個，Y向22個，阻尼系數C取100 kN/(mm/s)0.15，懸臂墻為200 mm×1 500 mm。

采用大型通用有限元軟件ETABS 復核阻尼器實際附加阻尼比，計算結果表明：X向以及Y向附加阻尼比分別為3.47%，3.69%。附加阻尼比滿足要求，而且富余較多，可以提高結構的安全儲備，說明阻尼器位置布置合理，阻尼器能夠發揮較好的效果。

4 減震分析

4.1 地震波的選取

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范(簡稱抗規)[2]要求，消能減震結構進行動力時程分析法時，應按場地類別、地震分組選用天然波和人工波，其中天然波的數量不應小于所選用地震波總數的2/3。

根據工程經驗，在對結構減震小震彈性分析時一般選擇7條波進行，其中5條天然波和2條人工波，在對結構進行大震彈塑性分析時一般選擇2條天然波和1條人工波，時程反應譜(多遇下為35 gal)與規范反應譜5%阻尼比對比如圖2所示。從圖2中可以看出，所選地震波滿足規范要求，時程平均值與規范譜在主要周期點上相差小于20%。

4.2 小震下的結構彈性時程分析

在SAP2000中有限元分析軟件中，黏滯阻尼器通常采用damper阻尼單元進行模擬阻尼器的行為，采用快速非線性分析(FNA)方法對有阻尼器結構進行了計算，無阻尼器的結構采用線性分析方法，如圖3，圖4所示，分別列出了2條天然波和1條人工波在7度小震作用時無控結構和有控結構層間位移角曲線。

對比圖3與圖4可知，結構在沒有裝設阻尼器(無控)時層間位移角接近1/650,加阻尼器(有控)結構層間位移角遠遠小于性能目標1/650,說明附加阻尼器結構的位移得到有效控制，結構安全性大大提高，達到預期設定的減震目標，在地震作用下結構損傷較小。

4.3 大震下結構彈塑性分析

該工程罕遇地震模型采用SAP2000進行建模分析，《建筑消能減震技術規程》中[3]規定：加設阻尼器的結構應該比傳統非減震結構的抗震性能有所提高，在軟件中通過定義塑性鉸來模擬構件的塑性發展行為[4]。動力彈塑性時程分析結果表明，該結構在罕遇地震作用下首先出現梁端塑性鉸，然后出現少量的柱鉸，大震作用下結構層間位移角包絡值小于1/100，滿足抗規限值1/50，滿足“強柱弱梁，強剪弱彎”的設計理念，結構抗震性能較高。

5 結語

本文通過對一辦公樓采用黏滯阻尼器進行減震設計分析，對比非減震結構，減震能有效減小截面尺寸，建筑功能滿足要求，阻尼器在小震下附加阻尼比，增大了結構阻尼比，在大震下充分發揮耗能作用。層間位移角小震下3條波包絡值遠小于1/650，大震下包絡值小于1/100，達到預期減震性能目標，結構的安全度得到很大提高。

[1] 周 云.黏滯阻尼器減震結構設計[M].武漢：武漢理工大學出版社，2006.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[3] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術規程[S].

[4] 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.

Analysis of seismic behavior of structural additional viscous dampers

Zhang Miao

(YunnanOrientMansionArchitecturalDesignCo.,Ltd,Kunming650228,China)

Take the office building engineering in 7 degree zone as an example, it carries out elastic dynamic time-history analysis for the structure with viscous damper, results show that the seismic performance of the viscous dampers is improved greatly. The structure satisfies the design concept of strong columns and weak beams, and the shock absorption effect achieves the expected performance targets.

viscous dampers, structure design, dynamic time history analysis, seismic performance

1009-6825(2017)07-0027-02

2016-12-20

張 淼(1983- )，男，工程師

TU352.1

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