剪切型金屬阻尼器在豎向收進框架結構中的應用

蔣文龍，孫國順

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

對于框架結構的抗震設計，通常采用通過提高結構自身剛度、構件的承載力以及其抗震延性等傳統設計方法來增強結構的抗震性能，通過在地震作用下構件的損傷來耗散地震能量，因此就需要結構本身剛度較大，來承擔較大的地震作用。但消能減震技術隨著社會經濟的發展，技術的逐漸成熟，這種新的抗震設計方法被廣泛的應用于公共建筑等結構設計中。通過在結構中設置阻尼器的方式來消耗地震作用下的能量，使主體結構的地震作用被有效的分擔，大大提升了主體結構的安全度。

而對于豎向收進的框架結構，收進處的樓層豎向剛度較下層有較大削弱，需要對收進樓層的豎向剛度進行加強，傳統的做法是通過適當的降低本層層高或者加強本層梁、柱的剛度，適當提高上部相關樓層或削弱上部相關樓層梁、柱的剛度，以便達到剛度比的要求。按照傳統的方式則會增大結構外圍的梁、柱的截面，或者引入抗震墻，和使用更高強度的材料，但是這樣反而使得整體結構質量加大，使得地震效應加大。而且增大構件截面、提高材料強度等級會增加建筑結構的造價，經濟性能較差。消能減震技術的引入將提高結構的抗震性能，為工程帶來很好的安全保證和經濟效益。工程中常用的阻尼器按耗能原理可分為速度型和位移型兩類，其中速度型阻尼器主要是黏滯阻尼器，而位移型阻尼器主要是金屬阻尼器，兩者在消能減震設計中均有應用。但是，黏滯阻尼器在大變形下的耗能效果比小變形狀態下差，而金屬阻尼器在大變形下耗能效果較好。金屬阻尼器是將軟鋼作為耗能板，利用其屈服強度低、延性好等優點，與主體結構相比，它能夠更早進入屈服，從而可利用軟鋼屈服后的累積塑性變形來達到耗散地震能量的效果。金屬阻尼器具有抗側剛度大、延性比大，以及材料利用率高、經濟性好等優點。金屬阻尼器不但能為結構提供附加剛度，還能為結構提供附加阻尼，本文將選用剪切型金屬阻尼器，對結構進行消能減震設計分析，研究阻尼器對豎向收進結構中的剛度加強和抗震性能提升。

1 工程概況

該工程位于云南省某市，建筑功能為4層幼兒園，房屋高度為15.8m，建筑面積為5 418.2 m2，該工程概況見表1，項目效果圖見圖1。采用現澆鋼筋混凝土框架結構，該工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10 g，設計地震分組為第三組，場地類別為II類，特征周期為0.45 s。根據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223—2008)的第6.0.8條，該工程抗震設防類別為重點設防類(乙類)，結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。根據《建筑抗震設計規范》GB50011—2010(2016年版)第6.1.3條第4款規定，乙建筑按規定提高一度確定其抗震等級，故本項目抗震等級為二級。根據《云南省隔震減震建筑工程促進規定》(云南省人民政府令第202號)的相關要求，需采用隔震減震技術，該工程采用減震技術。

表1 工程概況表

2 建立有限元模型

2.1 阻尼器的選取及布置

該工程選用的剪切型金屬阻尼器參數和數量見表2，阻尼器從豎向收進層開始布置，樓層平面內的布置遵循“均勻、分散、對稱”的原則，其詳細布置位置詳見圖2～4。

表2 阻尼器參數表

2.2 阻尼器在YJK軟件模型中的等效

該工程用YJK軟件建立上部結構，利用線性等效方法，用等代扁柱來模擬阻尼器，在進行消能減震設計時，確保金屬阻尼器與實際支撐件串聯的剛度與結構計算模型中的等代支撐剛度相等。等代扁柱的截面估算方法如下：選取實際支撐件的截面尺寸，保證支撐在大震下具有足夠的剛度和穩定性，且保持彈性為準，得到實際支撐件截面面積；求出實際支撐件的剛度，該工程采用墻式金屬阻尼器則為懸臂墻的剛度。計算阻尼器的支撐件水平剛度，即為懸臂墻的剪切剛度和彎曲剛度的串聯剛度。該項目設定阻尼器在多遇地震作用下不屈服，得到阻尼器的等效剛度為屈服前剛度，計算實際支撐件或懸臂墻與阻尼器組成系統的串聯剛度為YJK中等代扁柱的水平剛度)，并根據系統串聯剛度求得等代扁柱的尺寸，便能確定結構YJK分析軟件中反應譜分析的等代扁柱的大小。通過求得的等代扁柱建立的YJK計算模型見圖5。

2.3 SAP2000與YJK模型對比分析

SAP2000是一款集成化的高性能大型有限元分析軟件，SAP2000不僅可以進行基于對象的非線性分析，也可以實現基于對象的自動網格劃分。在SAP2000中有許多非線性單元可以模擬減震器和隔震裝置，SAP2000常用于減隔震項目的設計分析。剪切型金屬阻尼器可通過軟件中的Plastic(Wen)單元來模擬，定義剪切向的屬性來設置阻尼器的特性。SAP2000分析模型見圖6，SAP2000與YJK模型數據對比見表3、表4。

表4 模型周期對比(前三階)(單位：s)

表3 模型質量對比(單位：Ton)

通過對比SAP2000與YJK模型，模型的質量、前三階周期以及地震剪力誤差均在5 %以內，模型吻合度較高，用等代扁鋼模擬未屈服剪切型金屬阻尼器的方式較為合理。

表5 模型地震剪力對比(單位：kN)

3 非減震結構與減震結構時程分析對比

3.1 非減震結構與減震結構彈性時程對比分析

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)5.1.2條規定，該項目選用7條地震波，其中2條人工波，5條天然地震波時程曲線，對結構不設置阻尼器與設置阻尼器的模型分別進行彈性時程分析。分析結果見圖7～10。在收進層設置了阻尼器器后，該層的層間位移角明顯減小，剛度增加顯著。整體結構在設置了阻尼器后，最大層間位移角變小，減震效果突出。

3.2 非減震結構與減震結構彈塑性時程對比分析

建立該項目的彈塑性分析模型，選取三條地震波時程曲線，分別對設置阻尼器和不設置阻尼器的結構模型進行非線性彈塑性分析，分析結果見表6～7及圖11～14。減震結構最大層間位移角與非減震結構最大層間位移角的比值小于0.75，結構整體位移減小，阻尼器在罕遇地震作用下屈服耗能充分，為結構主體提供了良好的安全保證。

表6 X向層間位移角對比表(單位：1/rad)

表7 Y向層間位移角對比表(單位：1/rad)

4 結 語

通過在豎向收進框架結構中增設剪切型金屬阻尼器，通過等代扁鋼的方式對阻尼器進行等效處理，并對非減震與減震結構進行時程分析對比，研究了多遇和罕遇地震作用下結構的層間位移角變化情況，得出以下結論：阻尼器在多遇地震作用下不屈服，為結構提供附加剛度，在豎向收進層設置阻尼器可提高該層的豎向剛度；應用等代扁鋼等效未屈服的剪切型金屬阻尼器有效可行；在多遇和罕遇地震作用下，結構層間位移角減小明顯，增設阻尼器的減震結構效果顯著，消能減震裝置可為結構提供安全儲備。