某幼兒園框架結構粘滯阻尼器減震分析

羅榮++楊麗++徐彬++陳進

摘要：結合昆明市某幼兒園四層鋼筋混凝土框架結構的工程實例，采用ETABS對該幼兒園進行消能減震分析，用附加非線性阻尼單元模擬粘滯阻尼器。結果表明，多遇地震時，結構層剪力、層間位移角較未加阻尼器前有顯著減小；大震時，層間最大位移角也能顯著減小；兩種情況下的位移角均滿足規范要求。

Abstract： Combined with the cases of four-storey reinforced concrete frame structure of a kindergarten in Kunming City， the software ETABS was adopted for energy dissipation analysis of the kindergarten. The viscous dampers was simulated with additional nonlinear damping units in this paper. The results show that the structural layer shear， and interlayer displacement angle have been reduced obviously than before strengthening for more severe earthquake.The largest interlayer displacement angle can significantly reduce for larger earthquake. The both displacement angle can satisfy the requirements of specification.

關鍵詞：框架結構；消能減震；粘滯阻尼器；彈塑性分析

Key words： frame structure；energy dissipation；viscous damper；elastic-plastic analysis

中圖分類號：TU352.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0096-04

0 引言

在2008年汶川地震后，國務院提出了校舍安全工程，即對現有建筑進行加固，對新建建筑提高其抗震設防等級，采用有效的抗震措施[1]。為落實并貫徹國務院精神，云南省人民政府辦公廳文件，《關于加快推進減隔震技術發展與應用的意見》[2]，要求在云南省地震區、特別是高烈度地震區的工程抗震中，通過在建筑物的抗側力體系中設置消能部件，以提高結構的抗震能力。文章提到的實際工程是一個幼兒園建筑，屬重點設防類工程，根據以上文件和建設方的要求，采用消能減震設計來進一步提高建筑物的可靠性和安全性。

對建筑物進行消能減震設計時，可以使用阻尼器來達到此目的。自上個世紀七十年代后，這種減震設計方式就廣泛應用于土木結構工程，并且發展十分迅速，尤其是粘滯阻尼器。周云[3]、翁大根[4]、郭道元[5]等均指出使用阻尼器對建筑物進行加固，在地震力的作用下，阻尼器能產生很大的阻尼，抵消結構構件和節點產生的位移，有效地吸收和消耗了地震能量，顯著地降低了結構的地震反應，從而達到了消能減震的目的。

1 工程概況

該工程為昆明市某幼兒園四層鋼筋混凝土框架結構工程，地上4層，長67m，寬32m，層高均為3.3m，建筑平面圖如圖1所示。上部結構采用粘滯阻尼器進行減震設計，結構形式采用矩形鋼筋混凝土梁、柱作為框架，其中柱尺寸為400～800，梁截面尺寸為b（200～550）、h（250～850）。抗震設防烈度為8度，設計基本加速度為0.2g，地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期取0.4s。該幼兒園設計為丙類建筑，汶川地震后，GB50233-2008《建筑工程抗震設防分類標準》[6]將中小學歸為乙類建筑，因此需要進行減震設計。

2 SATWE與ETABS非減震結構模型對比

為了校核所建立的結構模型的準確性，使用ETABS和SATWE分別建立的非減震結構的計算模型，設置各階振型阻尼均為5%，將二者分別計算得到的質量、周期和振型分解反應譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角進行對比，模型圖見圖1，對比結果見表1。

從表1對比結果可以看出，用于本工程減震分析計算的ETABS模型與PKPM模型，在結構質量、周期、各層剪力、樓層位移及最大層間位移角方面的差異很小，故兩模型基本上是一致的，可以認為ETABS模型的分析結果是可靠的，下文層剪力和層位移角的分析取用ETABS的計算結果。

3 阻尼器布置方案的確定

本結構中，阻尼器的布局如圖2所示：X向：2～3層，每層2個阻尼器，共4個；Y向：2～3層，每層2個阻尼器，共4個。阻尼器的連接如圖3所示，該工程共用阻尼器8個。

4 結構的減震分析

在對結構使用時程分析法的時候，應該按照建筑場地類別和設計地震分組，選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，但是其所選取的實際強震記錄的數量不應該少于總時程曲線的2/3[7]。在進行罕遇地震時程分析時，每一條時程曲線的計算得到的結構底部剪力不應該小于振型分解反應譜計算結果的65%。在進行多條時程曲線計算時所得到的結構底部剪力的平均值不應該小于振型分解反應譜法計算結果的80%。這樣，從工程的角度考慮，保證了時程分析結果可以滿足最低安全性的要求。另外分析計算的結果也不能太大，即每一條地震波輸入計算不大于135%，平均不大于120%。

本實際工程采用了彈性時程分析法進行了計算，采用如前所述的5條天然波和2條人工波模擬加速度時程曲線，其反應譜曲線如圖4所示。

采用時程分析法時，應選用不少于二組實際強震記錄和一組人工波[7]。對該幼兒園進行多遇地震、大震時程的分析時，可以得到如下結論：在多遇地震下，有阻尼結構的層間剪力減小24.1%～33.6%，層間位移角減小21.5%～50.4%，X向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/688、1/965，Y向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/560、1/861，滿足規范要求的1/550；大震下，有阻尼結構的層間位移角減小10.55%～66.78%，最大位移角1/141，滿足規范1/50的要求。下文僅給出了具體的分析結果。

4.1 多遇地震結構的層間位移角

在ETABS分析中，多遇地震時程分析采用ETABS軟件提供的快速非線性分析方法，即只考慮阻尼器的非線性、結構本身假設為線性。該工程無阻尼模型與有阻尼模型在多遇地震下各層層間位移角的對比結果，見圖5。

通過圖5可以看出，多遇地震下：安裝阻尼器結構的層間位移角顯著減小，X向層間位移角減小21.5%～49.9%，Y向層間位移角減小24.9%～50.4%；X向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/688、1/965，Y向無阻尼器和加阻尼器的層間位移角為1/560、1/861，滿足規范要求的1/550。

4.2 大震下結構彈塑性時程分析

在對結構進行彈塑性時程分析時，需要考慮材料的非線性、采用小變形的假設、不考慮結構的幾何非線性。對于結構的運動微分方程的求解，可以選用程序自帶的逐步積分法，其中β值取0.25，γ值取0.5，Alpha系數得值取為0。按規范對所選地震波進行調幅，調幅后的峰值加速度設置為400cm/s2。

在對結構的彈塑性時程分析過程中，以彈性時程分析為基礎，選取三條地震波計算分析，最終的計算結果選取三條地震波作用下的包絡值。

為測試分析目標結構在不同地震波，不同地震波輸入方向下，結構的彈塑性性能，還對結構進行單向地震輸入作用下，結構的彈塑性動力性能進行了分析研究，并得到結構地震作用下的位移響應結果，如表2所示是大震作用下結構的層間位移角。

不同地震波輸入下結構的層間位移角的計算結果為：71號波X向1/154、Y向1/141；165號波X向1/158、Y向1/148；R01號波X向1/177、Y向1/187。通過對不同地震波的時程分析，按照規范要求，三條地震波可取為包絡值。

5 結語

①安裝阻尼器后，結構的層間剪力和層間位移角都有明顯減小，表明阻尼器能有效吸收地震能量，降低結構地震反應。②彈塑性時程分析，使用三條地震波分析了結構在X向和Y向地震輸入時結構的彈塑性性能，通過對三條波的計算，按照規范要求，三條地震波可取為包絡值。③罕遇地震作用下，與阻尼器相連的結構構件也相繼進入塑性，因此，在結構設計中，要著重注意消能構件的設計，使其滿足性能目標的要求。④基于性能的消能減震設計，是對超規范結構設計的一個思路，但仍需做進一步研究。

參考文獻：

[1]邱蕊，陶忠，白良.防屈曲支撐鋼框架結構抗震性能分析[J].低溫建筑技術，2014，198（12）：63-65.

[2]云南省人民政府辦公廳關于加快推進減隔震技術發展與應用的意見（云政辦發[2011]55號）.

[3]周云.粘滯阻尼減震結構設計[M].武漢理工大學出版社，2006.

[4]翁大根，陳廷君，呂西林，任曉崧.某鋼筋混凝土框架增設阻尼器抗震加固分析[J].工程抗震與加固改造，2007，29（3）：65-71.

[5]郭道遠，裴星洙.同時設置金屬和粘滯阻尼器的鋼框架結構減震效果研究[J].工程抗震與加固改造，2010，32（6）：42-53.

[6]GB50223-2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].

[7]GB50011-2010，建筑抗震設計規范[S].