粘滯阻尼器布置方案選擇對框-剪結構減震作用的影響

莫 玉, 李彭毅

(1.四川水利職業技術學院，四川崇州 611231; 2.成都碧桂園盛碧置業有限責任公司，四川成都 610015)

我國地震頻率高、災后影響大，頻繁發生的地震災害，造成巨大的損失。尤其是近幾十年來地震頻率逐年上升，每一次地震后，都意味著大量人力、物力以及財力的損失。歷次的地震災害告訴我們，在地震中95 %以上的生命損失是由建筑結構的破壞造成的[1-5]。

傳統的結構抗震方法通過增強自身的抗震性能來抵御地震作用，主要通過結構本身的破壞來實現地震能量的耗散。對于災害強度不確定的地震來說，是一種被動消極的抗震方法。已有的研究表明，耗能減震技術通過附設抗震裝置的方式，能夠調節地震作用對結構本身的影響，極大地提高了結構的抗震性能，確保了結構的安全性[6-7]。

基于此，筆者以一高層鋼筋混凝土框架剪力墻建筑結構為工程背景，利用耗能減震技術提高結構抗震性能，并從結構抗震層面上分析粘滯阻尼裝置的耗能減震效果[8-10]。對未設置粘滯阻尼器的普通鋼筋混凝土框架剪力墻結構和設置有粘滯阻尼器的同一鋼筋混凝土框架剪力墻結構，進行地震作用下的模擬分析，評估其抗震性能。對附設粘滯阻尼器結構的地震響應研究可以為工程設計人員進行結構減震、隔震設計提供參考。

1 鋼筋混凝土純框架剪力墻結構模型

1.1 模型基本數據

根據GB50011-2010《建筑抗震設計規范》關于建筑形體及構件布置的要求：建筑設計應當注重平面立面及豎向的規則性，抗側力構件平面的布置宜對稱規則，側向剛度宜保持均勻變化，從而避免側向剛度和承載力的突然變化導致的應力集中[11]。對未設置有粘滯阻尼器的鋼筋混凝土框架剪力墻結構模型進行設計，即純框架剪力墻結構方案，下文統稱為初始方案。結構平面示意圖如圖1所示。

圖1 初始方案結構平面示意(單位：mm)

初始方案為西南地區某高層建筑，地上15層，結構總高度50.4m，長30m，寬16.2m。根據我國對地震烈度的區域劃分，該建筑所處地區抗震設防烈度為8度，場地土為II類，場地土基本特征周期為0.4s，基本地震加速度為0.2g。底層層高為4.2m，其余各層的層高均為3.3m。沿長邊方向方向有5跨，每跨間距為6m，沿短邊方向有3跨，跨度分別為6.9m，4.2m，6.9m。模型選用兩種不同的混凝土材料，框架梁、柱用混凝土為C40，樓板及墻體用混凝土為C30。構件信息見表1，混凝土參數見表2。

表1 構件信息

1.2 模型建立

建模工作結合Ansys有限元軟件的GUI操作和APDL語言共同完成，結構模型的框架梁、框架柱選用三維線性有限應變梁單元BEAM188，支撐選用三維桿件單元LINK180， 樓板及剪力墻選用彈性殼單元SHELL181，阻尼器采用彈簧阻尼單元COMBIN14[12-13]。邊界條件，將底部柱、剪力墻均視為與地面固接，結構模型可理解為一嵌固在基礎上懸臂梁，受到水平方向的地震荷載作用。初始方案結構軸測圖如圖2所示。

表2 混凝土參數

圖2 初始方案結構軸測

1.3 地震波數據

該建筑處于8度(0.20g)地區、II類場地，根據地震波選取條件。因此，本文選擇了適合II類場地的天然地震波：El-Centro地震波。El-Centro波步長為0.02s，持續時間54s。圖3所示為El-Centro波加速度時程曲線,表3所示為El-Centro地震波參數。

圖3 El-Centro波加速度時程曲線

表3 天然地震波參數

2 粘滯阻尼器布置方案

2.1 粘滯阻尼器力學理論基礎

粘滯阻尼器阻尼力F同粘滯阻尼器活塞的運動速度v大小存在一定關系[14]：

F=Cvα

(1)

上式中：C為阻尼系數；v為活塞的運動速度；α為速度指數，介于0.3到1.0之間。

其中，阻尼系數C的大小與多個因素有關，包括活塞的直徑、導桿的直徑，液體的粘滯度等因素。

當采用粘滯阻尼器作為結構的耗能減震裝置時，首先要確定粘滯阻尼器的阻尼力首先要選定阻尼系數C和速度指數α。

從式(1)中可知，由于α值小于1，因此α越小，C值越大，則阻尼力越大。雖然α越小，C值越大，則阻尼力越大。但C過大，α過小時，此時粘滯阻尼器是不合理的。因此，合理的選擇C和α，會有效提高粘滯阻尼器的減震效率。根據以上結論，經過比較，所選的阻尼器基本參數如表4所示。

表4 阻尼器的基本參數

2.2 兩種粘滯阻尼器布置方案

2.2.1 方案一

方案一：沿各樓層均勻布置阻尼器，每層對稱布置六個阻尼器。如圖4、圖5所示。

圖4 方案一軸測

圖5 ①-④軸粘滯阻尼器布置方案(單位:mm)

2.2.2 方案二

方案二：由軟件分析可得初始方案在地震作用下最大層位移、層間位移及層間位移角，詳見表5、表6、表8。可知，初始方案中上層的層間變形較大，因此方案二集中在結構中上層設置阻尼器。阻尼器布置如圖6所示。

圖6 方案二軸測

3 兩種粘滯阻尼器布置方案地震響應對比

3.1 層位移對比

本文是對罕遇地震作用下粘滯阻尼結構抗震性能分析，希望結構在附設有粘滯阻尼器后能有效提高結構的抗震性能[15-17]。為方便評價粘滯阻尼器布置方案的優劣，對減震幅值做出定義：減震幅值=(減震前結構響應-減震后結構響應)/減震前結構響應。由ANSYS軟件可得初始方案、方案一以及方案二在ELCentro作用下層位移最大值，詳見表5。提取表5中數據。將三種方案作對比，得到初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層位移最大值對比圖，如圖7所示。

表5 層位移的最大值 m

圖7 EL波下初始方案和方案一以及方案二最大層位移對比

由表5表中數據可知：在EL地震波作用下，方案一的最大層位移比初始方案少35.06 %，方案二的最大層位移比初始方案少61.37 %。方案一對層位移的減小幅值在30 %左右浮動，較為穩定。方案二對層位移的減小幅值在36.61 %至61.37 %之間，減小幅值較大。表明方案二的減震控制效果更好。

3.2 層間位移對比

根據表5中數據，可得到初始方案、方案一以及方案二在ELCentro作用下層間位移最大值，詳見表6。提取表6中數據。將三種方案作對比，得到初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層間位移最大值對比圖，如圖8所示。

表6 層間位移的最大值 m

圖8 EL波下初始方案、方案一、方案二最大層間位移對比

由表6中數據可知：在EL地震波作用下，方案一的最大層間位移比初始方案少了38.28 %，最大層間位移出現在第十二層。方案二的最大層間位移比初始方案少了48.80 %，最大層間位移同樣出現在十二層。整體表現為中上部樓層層間位移減小幅值比下部樓層層間位移減小幅值大，且方案二對層間位移的控制效果更好。

3.3 層間位移角對比

對于框架剪力墻結構而言，層間位移角是決定框架所在樓層剪力的主要因素。當框架剪力墻結構層間位移角大于1/3000時，此時剪力墻的薄弱處出現裂縫，但框架依然處于彈性狀態；當層間位移角在1/500附近時，框架處于彈性極限狀態，即接近彈塑性狀態。此時框架所在樓層剪力增大，出現剪力最大的位置，也就是最不利受力位置。框架剪力墻結構彈性狀態層間位移角的極限值為1/500，屈服狀態時層間位移角的極限值為1/250，彈塑性狀態層間位移角的極限值為l/50。

根據GB50011-2010《建筑抗震設計規范》可知結構的彈塑性層間位移角的最大值[θp]，即彈塑性層間位移角限值，如表7所示。

表7 彈塑性層間位移角限值

由ANSYS軟件可得初始方案、方案一以及方案二在ELCentro作用下層間位移角最大值，詳見表8。提取表8中數據。將三種方案作對比，得到初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層間位移角最大值對比圖，如圖9所示。

圖9 EL波下初始方案和方案一以及方案二最大層間位移角對比

將表7和表8對比可知，初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層間位移角均小于1/50，結構所處狀態為彈塑性狀態。

表8 層間位移角的最大值

由表8中數據可知：初始方案的薄弱層在中上層，在EL地震波作用下1～4層層間位移角較小，5～15層間位移角較大，其中層間位移角最大值出現在10、11層，層間位移角為1/155。這種隨高度的變化地震響應不同的現象主要是由于鋼筋混凝土框架剪力墻結構的剛度造成的，而層間位移角是影響結構相對剛度比的重要因素，決定了結構彈塑性階段內力如何重分布，進而影響了地震作用力的分配。在EL地震波作用下，方案一的最大層間位移角比初始方案少了38.25 %，方案二的最大層間位移角比初始方案少了47.81 %。

3.4 2種粘滯阻尼器布置方案的總體對比結果

圖7～圖9分別為EL地震波作用下初始方案、方案一及方案二的最大層位移對比圖，最大層間位移對比圖，最大層間位移角對比圖。從以上三個對比圖觀察可知：方案二對地震的控制效果較好，但方案二的最大層間位移及最大層間位移角在4層和13層有波動，且4層以下方案二和方案一的地震控制效果基本一致。因此雖然方案二對于地震響應的控制效果較方案一更好，但方案一的地震響應隨高度變化較為平緩，這樣使得結構構件的受力較為均勻，能夠讓結構的各個構件充分參與到抵御地震作用中，整體性更好。

4 結論

根據方案一和方案二2種粘滯阻尼器布置方案下結構的地震響應對比分析結果，可得到如下結論：

(1)由于粘滯阻尼器本身存在阻尼，可以耗散地震傳入結構當中的能量，因此合理的粘滯阻尼器布置方案能夠有效減小結構或構件的地震響應。

(2)在相同地震波作用下，設置有粘滯阻尼器的結構和未設置粘滯阻尼器結構的破壞存在明顯差異。設置有粘滯阻尼器的結構抗震性能要比未設置粘滯阻尼器的結構優越很多。主要原因是粘滯性阻尼器本身無剛度，不會對結構產生附加的剛度，且提供消耗地震能量的阻尼。在增設了粘滯性阻尼器后，結構的變形被合理分配到各個樓層，薄弱層的變形相對減小，因此提高了結構的抗震性能。

(3)當以結構的層位移、層間位移、層間位移角作為判定指標時，初始方案、方案一和方案二地震反應的排序大致為：初始方案大于方案一大于方案二。

(4)方案一將粘滯阻尼器均勻分配到每個樓層的阻尼器布置方案不能取得較好的減震效果，并且將粘滯阻尼器均勻分配的方案不能充分發揮粘滯阻尼器的作用，因此方案一相對來說不適用于工程實際。