應用黏滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)減震效果模擬分析

馮 超 劉 龍

(安陽工學院土木與建筑工程學院，河南 安陽 455000)

0 引言

我國是一個地震頻發(fā)的國家，地震災害嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全。為了減輕地震災害后果，建筑結(jié)構(gòu)除了在設計階段做好抗震設防外，還需要采用隔震，消能減震等加固手段。所謂消能減震技術(shù)，就是在原結(jié)構(gòu)上某些部位附加消能減震裝置——阻尼器，與原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同作用，利用阻尼器中的介質(zhì)做功吸收和消耗地震能量，減輕原建筑結(jié)構(gòu)消耗的地震能量，提高了原有結(jié)構(gòu)的阻尼，使得建筑結(jié)構(gòu)地震反應得以減輕[1]。近年來，消能減隔震技術(shù)以其安全有效，效果顯著，價格低廉等優(yōu)點，被越來越多的工程所采用，并且經(jīng)受了汶川、蘆山等強烈地震的考驗，產(chǎn)生了巨大的社會效益。實踐證明，消能震技術(shù)是一種高效的，經(jīng)濟的，合理的抗震設計方法，能夠全面提高建筑結(jié)構(gòu)抵御地震災害的能力[2]。

本文對位于8度(0.2g)區(qū)的某中學實驗樓進行減震分析，減震設計采用國際通用的三維空間彈塑性有限元設計軟件ETABS,Midas-Gen對結(jié)構(gòu)進行建模分析。用時程分析方法對該結(jié)構(gòu)進行多遇地震和罕遇地震作用下，減震前后框架結(jié)構(gòu)的層間剪力，層間位移角進行對比分析，以驗證黏滯阻尼器的減震效果。

1 工程概況及阻尼器的布設

本項目位于8度區(qū)，工程總體概況如下：主體結(jié)構(gòu)總高度12.15 m，室內(nèi)外高差0.45 m，建筑占地面積：1 018.27 m2，總建筑面積：3 054.80 m2。地上3層，層高均為3.9 m。

該建筑結(jié)構(gòu)形式：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；抗震設防類別：重點設防；設計使用年限：50年；建筑類別：乙類；抗震設防烈度：8度(0.2g)；設計地震分組：第三組；建筑場地類別：Ⅲ類。

根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》[3]和《建筑抗震設計規(guī)范》[4]，并結(jié)合本工程建筑結(jié)構(gòu)布置情況，在建筑主軸線附近布置適當數(shù)量的人字撐式阻尼器，如圖1所示。阻尼器類型有三種，分別布設在對應樓層上，數(shù)量及參數(shù)如表1所示。

表1 黏滯阻尼器參數(shù)

類型阻尼指數(shù)阻尼系數(shù)CkN·m/s最大行程mm最大阻尼力kN樓層數(shù)量個A0．3500±7055014B0．3500±5555024C0．3500±3055034

2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的時程響應分析

本結(jié)構(gòu)采用時程分析法計算，將ETABS與SATWE減震前模型計算得到的質(zhì)量、周期和層間剪力進行對比，以保證用于本工程減震分析計算的ETABS模型與SATWE模型的一致性。

2.1 時程分析地震波的選取

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[4]相關(guān)規(guī)定，本工程設計選用NRG波、CPC16波和rgb波共3條。對三種波在頻域內(nèi)的綜合調(diào)整，使得各條波與規(guī)范[4]相對應的不同水準設計譜基本一致，對比結(jié)果如圖2所示。

對未進行減震設計的結(jié)構(gòu)進行了時程分析和反應譜分析，得到結(jié)構(gòu)樓層的地震剪力，列于表2。由表2可以看出，時程計算的樓層剪力平均值和振型分解反應譜法計算結(jié)果基本一致，說明所選的三種地震波符合要求。

表2 8度(0.2g)多遇地震作用下基底剪力

工況反應譜NRGCPC16rgb時程平均值剪力kNX60256401760063286776Y59386250723264466643比例%X100106126105112Y100105122109112

2.2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的時程響應分析

利用ETABS軟件分別計算三種地震波作用下結(jié)構(gòu)的層間剪力、位移角，取平均值后與減震前結(jié)構(gòu)的層間剪力、位移角對比分析，對比結(jié)果如圖3，圖4所示。

如圖3所示，減震前，各樓層X方向?qū)娱g剪力分別是6.7 MN，5.2 MN，2.8 MN；減震后，層間剪力分別是4.7 MN，3.5 MN，1.8 MN，各樓層X方向的層間剪力明顯降低，最大降幅達40%。如圖4所示，減震前，各樓層Y方向?qū)娱g剪力分別是6.6 MN，5.0 MN，2.7 MN；減震后層間剪力分別是4.7 MN，3.5 MN，1.9 MN，各樓層Y方向的層間剪力有明顯的降低，最大降幅達36%。

如圖5所示，減震前，各樓層X方向?qū)娱g位移角分別是0.001 8，0.001 6，0.000 9，層間位移角均滿足規(guī)范[4]要求，減震后，各樓層X方向?qū)娱g位移角分別是0.001 1，0.000 9，0.000 5，設置黏滯阻尼器后，層間位移角降低明顯，最大降幅達44%。如圖6所示，減震前，各樓層Y方向?qū)娱g位移角分別是0.001 9，0.001 7，0.001 0；減震后層間位移角分別是0.001 2，0.001 0，0.000 6，由圖6可見，設置黏滯阻尼器后，樓層Y方向?qū)娱g位移角降低明顯，最大降幅可達48%。

3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的時程響應分析

同樣將Midas-Gen模型與PKPM模型中周期、質(zhì)量、層間剪力進行對比，確保兩個模型的相應數(shù)據(jù)基本相同，使所建立的Midas-Gen模型符合要求。

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在進行減震前后的X,Y方向上的層間位移角如圖7,圖8所示，在罕遇地震工況下結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于彈塑性層間位移角限值1/50，在樓層設置黏滯阻尼器后，樓層層間位移角均有明顯的降低，最大降低幅度可達22%。

4 結(jié)語

在框架結(jié)構(gòu)中應用了黏滯阻尼器消能減震技術(shù)，并對該結(jié)構(gòu)的減震效果進行了數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論：

1)在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在兩方向上的層間剪力、層間位移角均有明顯的降低，最大降幅在40%以上。

2)在罕遇地震作用下，層間位移角有明顯的降低，最大降幅可達22%，說明應用了黏滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

[1] 秦 容，謝肖禮.高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析的新方法[J].土木工程學報，1994,27(6)：3-10.

[2] 周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社,1997.

[3] JGJ 297—2013,建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[4] GB 50011—2010,建筑抗震設計規(guī)范[S].