粘滯阻尼器對建筑結構抗震性能的對比性研究

關維海、代貴舉

摘要：結構進行消能減震設計的關鍵是準確合理估計阻尼器的動力行為，這可以在ETABS、SAP2000、Abaqus等軟件中實現。但PKPM僅能通過振型分解反應譜法計算地震作用，并且單元類型十分有限，不能直接進行阻尼器的建模及計算。為了在PKPM中進行設計，需要采用等效線性化的方法，黏滯流體阻尼器對結構剛度沒有貢獻，僅需要考慮其附加阻尼比的貢獻。

關鍵詞：黏滯阻尼墻；阻尼比；地震波

地震是世界上最不可預測的自然災害之一，它所造成的直接災害有： 建筑物與構筑物的破壞，如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵路軌道變形等等。作為全國地震多發和高烈度區的省份，因此云南省對于中小學、醫院及幼兒園出臺相關規定，必須采取減、隔震措施，以此提高對弱勢群體的保護。減震措施，是指通過在結構中加入阻尼器（軟鋼或粘滯）來耗散地震的作用能量，從而達到減小主體結構的地震反應的目的，可以避免結構在地震中破壞或倒塌，實現抗震設防目標。因此本文針對云南省某學校工程項目，做出減震結構設計。

一、 案例項目概況

針對云南省某項目工程主要包含“學生食堂、文體中心和學生公寓”，總建筑面積：12900㎡；地上面積：10300㎡；地下面積：2600㎡進行減震設計。“學生食堂、文體中心和學生公寓”上部建筑方案為L形布置，共12層（局部6層和3層）。結構上采用抗震縫脫開的處理方法，沿12層與6層交接處將該子項上部結構分割為獨立開來的一棟12層（局部3層）框架剪力墻結構和一棟6層框架結構。在該子項塔樓下方及周邊外擴范圍設有一層地下室，全層地下室均為6級乙等人防地下室。該子項兩塔樓上部結構均采用消能減震技術。抗震烈度為八度，地震分組為第三組，場地類別為二類；嵌固端選擇：“學生食堂、文體中心和學生公寓”子項兩棟塔樓嵌固端選取為地下室頂板[1-5]。

二、案例項目上部及地下室結構設計

（一）結構選型、抗側力體系和樓蓋體系

建筑結構體系、樓蓋體系和結構抗震等級選取簡述。

1、結構體系選取

“學生食堂、文體中心和學生公寓”子項，該子項上部建筑方案為L形布置，共12層（局部6層和3層）。結構上采用抗震縫脫開的處理方法，沿12層與6層交接處將該子項上部結構分割為獨立開來的一棟12層（局部3層）結構和一棟6層結構。12層部分和6層部分因結構底部二層為學生食堂、問題活動中心和超市，使用功能上對開敞大空間有所要求，故結構形式12層塔樓選用鋼筋混凝土框剪結構，6層塔樓選用鋼筋混凝土框架結構。樓蓋體系選用現澆鋼筋混凝土樓蓋體系。

2、抗震等級劃分

“學生食堂、文體中心和學生公寓”子項6層部分和12層部分根據抗規6.1.2條規定，按乙類建筑提高一度要求查表后，12層塔樓框架抗震等級、剪力墻抗震等級和6層塔樓框架抗震等級均劃定為一級，抗震構造措施等級均為一級。

（二）結構平面布置

1、本工程各棟平面外輪廓形狀基本以多邊形為主，平面布置較為均勻規則。12層平面的長寬高數值分別為：44.55m，18.30m和44.65m；12層平面的長寬高數值分別為：39.30m，18.60m和21.25m。

2、12層考慮偶然偏心規定水平力作用下位移比大于1.2小于1.50，結構扭轉不規則，均考慮雙向地震[5]。

3、減震方案選取：在給定配置數量條件下在結構中合理布置阻尼器是達到減震效果的非常有效的途徑。在阻尼器的布置中不僅要遵照“整體分散，局部集中”的原則，還要考慮到建筑物本身的一些特點。通過對阻尼器數量、位置的多輪時程分析、優化調整后，確定了最終減震方案。

綜合考慮減震目標及建筑功能的需要，本項目初步設計共計采用兩種軟鋼阻尼器進行設計計算，三種軟鋼剪切阻尼器性能參數為：（1）YSX-SPL-250-2，屈服荷載250 kN，屈服位移2mm，8個； （2）YSX-SPL-500-2，屈服荷載500 kN，屈服位移2mm，42個；（3）YSX-SPL-650-2，屈服荷載650 kN，屈服位移2mm，78個。

三、十二層塔樓結構分析計算結果

（一）使用軟件

1、多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件 SATWE（2010版本）

2、集成化的建筑結構設計與分析軟件 ETABS中文版（V9.7.4版）

（二） SATWE與ETABS小震計算主要計算結果簡要對比

1、 SATWE主要計算結果如表1所示。

2、SATWE與ETABS分析結果對比

（1）兩個軟件所建立的模型如圖1、圖2：

結構模型的計算振型數：SATWE：15個，ETABS：140個，SATWE模型的有效質量系數為X向93.60%，Y向95.02%。滿足規范不小于90%的要求。SATWE模型第一扭轉周期與第一平動周期之比0.7414，ETABS模型第一扭轉周期與第一平動周期之比0.7014，滿足規范要求。

（2）位移分析

在不考慮偶然偏心作用時，SATWE：X向最大層間位移角為1/ 880（6層）；Y向最大層間位移角為1/ 849 （6層）。ETABS：X向最大層間位移角為1/1055，出現在RG波第8層；Y向最大層間位移角為1/950，出現在TR1波第6層。均滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第5.5.1條規定的框架結構最大位移角1/800的限值。兩軟件計算結果十分接近，小震時各樓層最大位移角如表2和表3。

（3） 結構總質量

SATWE計算出的結構總質量為14188t，ETABS計算出的結構總質量為15390t，差值百分比為8.5%。

（三）消能減震設計小震計算主要結果及分析

本工程采用粘滯阻尼墻進行消能減震設計，根據《建筑抗震設計規范》和《建筑消能減震技術規程》的要求，采用等效線性化方法，考慮消能器提供的等效剛度和等效阻尼比。

1、等效線性化設計方法

結構進行消能減震設計的關鍵是準確合理估計阻尼器的動力行為，這可以在ETABS、SAP2000、Abaqus等軟件中實現。但PKPM僅能通過振型分解反應譜法計算地震作用，并且單元類型十分有限，不能直接進行阻尼器的建模及計算。

為了在PKPM中進行設計，需要采用等效線性化的方法，黏滯流體阻尼器對結構剛度沒有貢獻，僅需要考慮其附加阻尼比的貢獻。速度相關型消能器的簡化設計程序EDstruDesign的界面如圖所示。用戶需要輸入三部分內容：第一部分是阻尼器相關參數，包含阻尼系數C，阻尼指數

2、最終減震方案確定

（1） X向附加阻尼比計算結果見表4。

Y向附加阻尼比計算結果見表5。

結構等效阻尼比取兩個方向等效阻尼比的較小值：8.05%，SATWE計算中按照8.0%進行計算。

四、結語：

通過以上結構模擬計算數據可以看出，對結構進行配置消能部件，其實質是對結構附加阻尼，使得結構的等效阻尼比增加，而結構等效阻尼比的增加會使其地震響應降低，同時增加結構的剛度，減小結構位移，因而可以減小結構位移角和位移比。在結合地震波分析，可發現首先結構多數連梁出現塑性鉸，有效的起到第一道防線的作用，耗散了地震能量；然后結構部分混凝土梁出現塑性鉸；結構框架柱基本未出現塑性鉸；這樣可以看到阻尼器耗能作用明顯，阻尼器耗能占到地震總能量的50%以上，有效的耗散了地震能量并保護了主體結構。

參考文獻：

[1] 工程結構可靠性設計統一標準 GB50153-2008[S].

[2] 建筑結構荷載規范 GB50009-2012[S].

[3] 混凝土結構設計規范 GB50010-2010[S].

[4] 建筑抗震設計規范 GB50011-2010[S].

[5] 高層建筑混凝土結構技術規程 JGJ3-2010[S].

[6] 建筑消能減震技術規程