某框架結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)與抗震性能研究

李耀先

摘要： 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了更高的要求，以昆明市某教學(xué)樓工程為例，對(duì)其采用黏滯阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計(jì)，研究其在各水準(zhǔn)地震作用下的抗震性能。研究結(jié)果表明：黏滯阻尼器減震效果明顯，結(jié)構(gòu)抗震性能滿足預(yù)期性能目標(biāo)。研究成果為黏滯阻尼器在高烈度區(qū)的應(yīng)用提供了參考。

Abstract： With the continuous improvement of China's economic level， people put forward higher requirements for the seismic performance of the structure. Taking the construction of a teaching building in Kunming as an example， the design of the damped dampers is used to study the seismic under the action of the seismic performance. The research results show that the viscous dampers have obvious shock absorption effect and the seismic performance of the structures meet the expected performance targets. The study result provides a reference for the application of viscous dampers in high intensity areas.

關(guān)鍵詞： 抗震性能；黏滯阻尼器；減震；高烈度區(qū)

Key words： seismic performance；viscous dampers；shock absorption；high intensity areas

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）19-0098-02

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，地震給人類(lèi)造成的災(zāi)難會(huì)更加慘重，減輕地震災(zāi)害成為21世紀(jì)及更長(zhǎng)時(shí)期的重要研究課題。我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，地震強(qiáng)度大、分布廣、成災(zāi)率高等特點(diǎn)。僅在20世紀(jì)，全球1/3的大陸地震發(fā)生在我國(guó)，地震共造成55萬(wàn)人死亡，占全球地震死亡人數(shù)一半以上，居世界首位。國(guó)內(nèi)外震害資料和研究表明，減震結(jié)構(gòu)能夠有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)是指在結(jié)構(gòu)的某些部位增設(shè)阻尼器，通過(guò)阻尼器產(chǎn)生摩擦、彎曲等滯回變形來(lái)耗散或吸收地震動(dòng)輸入能量，減輕結(jié)構(gòu)損傷。

1 黏滯阻尼器特點(diǎn)

黏滯阻尼器是一種速度型阻尼器，一般由缸體、活塞、阻尼孔、黏滯流體阻尼材料和導(dǎo)桿等部分組成。地震發(fā)生時(shí)，活塞在缸筒內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞上有適量阻尼孔，缸筒內(nèi)裝滿黏滯阻尼材料。當(dāng)活塞在缸筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞前后會(huì)產(chǎn)生壓力差，黏滯材料從阻尼孔中流過(guò)，從而產(chǎn)生阻尼力，達(dá)到耗能減震的目的，與其他阻尼器相比，黏滯阻尼器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①其他阻尼器需要經(jīng)常檢修，在大震作用后需要更換，而黏滯阻尼器基本不需要更換。

②黏滯阻尼器隨溫度變化其性能較為穩(wěn)定，在地震作用下不容易失效。

③黏滯阻尼器僅為結(jié)構(gòu)附加阻尼而不附加剛度，有效減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，工程師易于掌握。

2 工程概況

本工程為昆明市某中學(xué)教學(xué)樓。結(jié)構(gòu)體系為混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)共5層，總高度20.05m（不含坡屋面），建筑面積總為1761m2。該工程抗震設(shè)防為8度（0.2g），地震分組為第三組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，抗震設(shè)防分類(lèi)為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)（乙類(lèi)建筑）。減震結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖1所示。

3 減震設(shè)計(jì)方案

根據(jù)抗震專(zhuān)項(xiàng)審查要求，該項(xiàng)目需采用減震設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮場(chǎng)地條件，設(shè)防烈度及安全經(jīng)濟(jì)性，采用黏滯阻尼器的消能減震方案。最終確定需要在多遇地震下給結(jié)構(gòu)附加5%的阻尼比，阻尼器在不影響建筑使用功能的情況下，按照“均勻、分散、對(duì)稱(chēng)”的原則進(jìn)行布置，阻尼器共12個(gè)，13層，X與Y向均為2個(gè)，阻尼器布置平面圖如圖2所示，采用的黏滯阻尼器參數(shù)為阻尼系數(shù)C=100kN/（mm/s），阻尼指數(shù)0.15。

4 有限元模型建立與地震波選取

4.1 有限元模型建立

根據(jù)建筑圖，采用PKPM建立結(jié)構(gòu)模型，采用SAP2000進(jìn)行有限元分析，因此需要將PKPM模型導(dǎo)入到SAP2000中，由于模型在相互導(dǎo)入時(shí)存在一定誤差，需要對(duì)PKPM軟件與SAP2000軟件中的同一棟建筑結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量、周期等進(jìn)行對(duì)比，確保兩種軟件中的同一棟建筑結(jié)構(gòu)模型誤差在可接受的范圍內(nèi)。兩種軟件計(jì)算得到的質(zhì)量、周期及誤差分析結(jié)果分別如表1、表2所示。

從表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，兩種軟件計(jì)算得到的模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期相差較小，因此可以認(rèn)為SAP2000建立的有限元分析模型符合要求。

4.2 地震波選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.2條規(guī)定，選取了5條天然波和2條人工波進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析，所選地震波需滿足統(tǒng)計(jì)意義上相符，時(shí)程曲線反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比圖如圖3所示。

5 減震分析

減震結(jié)構(gòu)通常采用兩階段的分析方法，即多遇地震彈性時(shí)程分析和罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析。

5.1 彈性分析結(jié)果

彈性分析采用SAP2000對(duì)附加阻尼比進(jìn)行復(fù)核，黏滯阻尼器采用Damper單元進(jìn)行模擬，采用FNA法進(jìn)行分析。根據(jù)規(guī)范簡(jiǎn)化方法計(jì)算7條波附加阻尼比，計(jì)算結(jié)果表明，X向附加阻尼比為7.24%，6.19%，附加阻尼比滿足預(yù)期目標(biāo)，且其安全儲(chǔ)備較高，說(shuō)明阻尼器布置合理。

為了說(shuō)明減震效果，通常對(duì)比減震與非減震結(jié)構(gòu)的層間位移角，圖4和圖5分別給出了非減震與減震結(jié)構(gòu)層間位移角曲線。

由圖4和圖5可知，非減震結(jié)構(gòu)層間位移角不滿足規(guī)范要求1/550，減震結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)值滿足預(yù)期的性能減震性能目標(biāo)1/610，說(shuō)明加設(shè)阻尼器結(jié)構(gòu)的抗震性能得到很大提高，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較高。

5.2 彈塑性分析結(jié)果

在罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析時(shí)通常定義梁柱的塑性鉸以模擬結(jié)構(gòu)的非線性，進(jìn)行罕遇地震分析時(shí)一般選取2條天然波和1條人工波進(jìn)行時(shí)程計(jì)算。層間位移角是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，3條波層間位移角計(jì)算結(jié)果為：575號(hào)波X向1/146、Y向1/160；590號(hào)波X向1/124、Y向1/121；R05號(hào)波X向1/193、Y向1/204。取其包絡(luò)值為1/121。

由罕遇地震作用下層間位移角計(jì)算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求1/50，達(dá)到預(yù)期的減震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較高；從結(jié)構(gòu)時(shí)程分析塑性發(fā)展情況來(lái)看，結(jié)構(gòu)先出現(xiàn)梁鉸，后出現(xiàn)柱鉸，鉸的塑性發(fā)展程度較低，結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的概念設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)昆明市某教學(xué)樓進(jìn)行減震設(shè)計(jì)與分析，對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究，可以得出采用減震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的抗震性能可以得到很大提高，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較高，該工程可為高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]JGJ 297-2013，建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].北京中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[3]陳曉彬，潘文，白羽，等.高烈度區(qū)框架結(jié)構(gòu)裝設(shè)黏滯阻尼器的減震控制分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016（S1）：391-394.

[4]張志強(qiáng)，李?lèi)?ài)群.建筑結(jié)構(gòu)黏滯阻尼器減震設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[5]吳宏磊，陳長(zhǎng)嘉，丁潔民，等.黏滯阻尼器在超高層建筑中的應(yīng)用研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2016（S1）：39-47.