粘滯流體阻尼器消能減震與工程實例分析

張志浩+潘文

摘要： 在建筑結構設計中，消能減震結構因其優越的抗震性能而得以廣泛的運用。云南省地域內包含多條地震斷裂帶，消能減震技術的推廣和應用有著十分重要的意義。本文以昌寧三中宿舍樓的減震設計為例，介紹消能減震技術及黏滯阻尼器；對結構進行彈塑性時程分析，對比減震與非減震結構的地震響應。分析結果表明：與傳統結構相比，黏滯阻尼器的運用，減小了結構的層間位移和層間剪力，大幅度提高了結構的抗震性能。

Abstract： In the structural design of building， because of its excellent seismic performance， energy dissipation structure is widely used. Yunnan Province has a number of seismic fracture zone， the promotion and application of energy dissipation technology has a very important significance. This article takes the design of an dormitory building as an example， introducing the energy dissipation technology and the viscous damper. Through the elastic plastic time history analysis of the structure， the seismic response of damping structure and non-damping structure are compared. The analysis results show that： compared with traditional structure， the application of viscous dampers reduces the story drift and story shear force， and greatly improves the seismic performance of the structure.

關鍵詞： 消能減震；黏滯阻尼器；抗震性能；時程分析

Key words： energy dissipation；viscous damper；seismic performance；time history analysis

中圖分類號：TU973+.12 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0118-03

0 引言

近年來，大地震頻發，它自身的破壞性和所引發的次生災害嚴重威脅了人類的生存和發展。同時，隨著國家經濟水平的大幅度提高，我國建筑行業部門對房屋結構抗震性能的要求也越來越高。云南省地域內包含多條地震斷裂帶，如中甸下關地震帶、小江地震帶、馬邊昭通地震帶和九龍永勝地震帶等。在歷次大地震中，這些地區受災極為嚴重。云南省人民政府令（第202號）第3條指出下列建筑應當采用隔震減震技術：抗震設防烈度7度以上區域內三層以上、且單體建筑面積1000平方米以上的學校、幼兒園校舍和醫院醫療用房建筑工程；抗震設防烈度8度以上區域內單體建筑面積1000平方米以上的重點設防類、特殊設防類建筑工程；地震災區恢復重建三層以上、且單體建筑面積1000平方米以上的公共建筑工程。

消能減震技術能夠有效地減輕結構的地震反應，當地震來臨時，粘滯特性導致結構阻尼的增加，阻尼器消耗了大部分能量，保護了主結構 [1]。考慮到黏滯阻尼器具有良好的滯回耗能能力和穩定性能，本工程決定采用黏滯阻尼器作為耗能部件，通過其附加阻尼與結構體系共同存儲和消耗地震能量，減輕地震反應。

1 消能減震技術概要

1.1 消能減震技術原理

從能量守恒的角度分析被動控制的原理[2]：

傳統結構：

Ein=ER+ED+ES （1）

消能減震結構：

Ein=ER+ED+ES+EA （2）

式中：Ein-輸入結構的外部能量；ER-結構物振動的動能和勢能；ED-結構阻尼消耗的能量；ES-主體結構及承重構件非彈性變形消耗的能量；EA-被動消能裝置消耗的能量。

在消能減震結構體系中，地震輸入總能量（Ein）中的絕大部分轉化為被動消能裝置消耗的能量（EA），從而大大降低了主體結構的地震響應。根據國內外振動臺實驗數據，消能減震結構的地震反應可比傳統抗震結構降低40%-60%，且結構越高、越柔，消能減震效果越顯著[2]。

1.2 消能減震設計方案

本工程減震設計方案主要包括以下內容：①根據設計要求，確定結構的減震、性能目標；②確定目標附加阻尼比，阻尼器的參數、數量、安裝位置及型式：③根據規范要求，選取地震波；④多遇地震下，進行彈性時程分析；⑤計算附加有效阻尼比；⑥罕遇地震下，進行彈塑性時程分析；⑦調整不滿足要求的構件；⑧對與減震部件相連接的部位設計分析。

2 黏滯阻尼器概要

2.1 阻尼器的力學原理及性能

本工程選用黏滯阻尼器作為耗能部件，黏滯阻尼器按其力學原理可分為：利用封閉填充材料“流動阻抗”的“流動阻抗式”和利用黏滯體“剪切阻抗”的“剪切阻抗式”，其基本原理是利用黏滯體的流動或者剪切產生阻尼力[3]。

黏滯阻尼器能夠在為結構提供較大阻尼的同時不過多改變結構的剛度（不提供附加剛度），所以不會由于阻尼器的附設而減小結構的自振周期從而加大地震作用。此外，黏滯阻尼器受外界環境、溫度和激勵頻率的影響較小，工作性能穩定。endprint

2.2 阻尼器的布置原則

阻尼器平面內的布置宜遵循“均勻、分散、對稱”的原則[4-6]；在豎向布置時，阻尼器應布置在地震響應較大樓層，宜形成沿結構高度均勻的結構控制體系，避免因剛度和阻尼突變而形成薄弱層[2]。

3 工程概況

本工程為云南省某小學多層宿舍樓，混凝土框架結構體系，1-5層，層高3.9m，總建筑面積5000m2（依照政府要求，應當使用隔震減震技術），建筑模型見圖1。其基本設計參數如下：抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為8度，設計基本加速度為0.20g，地震分組為第三組。

4 阻尼器參數、數量及布置

5 地震波的選取

根據《建筑抗震設計規范》5.1.2[5]的要求，本工程選用7條地震波進行計算分析，其時程反應譜與規范反應譜曲線見圖3。

6 多遇地震作用下結構彈性時程分析

本工程采用了彈性時程分析法進行了計算，采用如前所述的五條天然波和兩條人工波，其加速度時程曲線如圖4所示。

層間位移角、層間剪力對比分析（僅X方向）（圖5～8）

7 結語

①耗能減震技術是房屋建筑減小地震反應的有效方法和途徑，它通過阻尼器的附加阻尼比吸收了大量的地震能量，大大減小結構的地震響應。

②黏滯阻尼器有良好的滯回特性，經合理設計和布置后，能夠增加安全性，減少成本，提高結構的抗震能力。

③歷次地震表明，減震結構較非減震結構，其層間位移和層間剪力顯著下降，且能滿足“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“小震不壞、中震可修、大震不倒”[5]等規范要求。

參考文獻：

[1]裴星洙，賀方倩.消能減震結構設計方法研究[J].建筑結構，2013，43（4）：60-65.

[2]張志強，李愛群.建筑結構黏滯阻尼減震設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2012，12.

[3]日本隔震結構協會.被動減震結構設計·施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[4]JGJ297-2013建筑消能減震技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[5]GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.endprint