黏滯消能器在八度區某框剪結構中的應用

陳高源

摘 要：在位于高烈度地區的某框剪結構新建醫院中設置黏滯阻尼器進行減震設計，并對該結構進行罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算，以保證發生本區域設防地震時不會喪失使用功能。采用建筑結構有限元分析軟件ETABS分別對抗震結構和消能減震結構，將根據規范選取的三條地震波沿主軸方向雙向輸入，進行8度大震作用下的動力非線性時程分析。通過對比最不利工況下兩種結構的計算結果，表明黏滯阻尼器能顯著減小該建筑的基底剪力、層間位移角和主要受力構件的開裂破壞。阻尼器耗能在總非線性耗能中占比30%，且在罕遇地震下提供給結構的附加有效阻尼比達到2.6%。消能裝置有效保護主體結構的安全，提高其抗震性能，保證該醫療建筑震后能正常使用。

關鍵詞：動力時程分析;非線性耗能;附加阻尼比

中圖分類號：TU352 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2021）36-0056-03

Application of Viscous Damper in a Frame Shear Structure in Octave Region

CHEN Gaoyuan

（School of Civil Engineering and Communication，North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Viscous dampers were set up in a new frame-shear wall hospital located in high intensity area to carry out shock absorption design， and the elastic-plastic deformation of the structure under the action of rare earthquake was checked to ensure that the function of this area would not be lost in the event of earthquake. Using the finite element analysis software ETABS for building structures， the three seismic waves selected according to the code are input along the principal axis in two directions， and the dynamic nonlinear time history analysis under the action of 8 degree earthquake is carried out. By comparing the calculation results of the two structures under the most unfavorable conditions， it is shown that the viscous damper can significantly reduce the base shear， inter-story displacement angle and the cracking failure of the main stressed members of the building. The energy dissipation of the damper accounts for 30% of the total nonlinear energy dissipation， and the additional effective damping ratio provided to the structure under rare earthquakes is up to 2.6%. The energy dissipation device can effectively protect the safety of the main structure， improve its seismic performance， and ensure the normal use of the medical building after earthquake.

Keywords： dynamic time history analysis; nonlinear energy dissipation ; additional damping ratio

住建部和國家質量監督檢驗檢疫總局頒布的《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223—2008）將城鎮醫院、防災應急指揮中心、疾病預防與控制中心等防災救災建筑的抗震設防類別提高為重點設防類[1]。目前，消能減震設計在新建建筑和既有建筑加固改造中的應用呈上升趨勢，住房和城鄉建設部頒布行業標準《建筑消能減震技術規程》（JGJ 297—2013）[2]，中國工程建設標準化協會頒布行業標準《消能減震加固技術規程》（T/CECS 547—2018）[3]。目前，國內也有一些消能減震技術的實際應用。李英民等[4]以某框架結構的醫院為例，介紹了基于性能的抗震設計方法和黏滯阻尼器在抗震設防類別提高已建結構抗震加固中的應用。楊洋[5]在某醫療建筑中采用消能減震設計方案，不僅滿足了抗震構造要求，還節省了承重構件的材料用量。張立成等[6]介紹了新型黏滯阻尼墻（VFW）具有同時滿足建筑使用功能和增大阻尼力的優勢，并以減小層間位移角為目標布置阻尼墻，對減震模型和附加阻尼比模型進行時程分析，對比兩者計算出的樓層剪力吻合程度來確定保守的附加阻尼比，并將該阻尼比用于反應譜分析進行抗震設計。

1 工程概況

某醫院建筑位于8度設防區，開間123.6 m，進深30.6 m，地上九層，總高度37.2 m，地上建筑面積28 340 m2。屬于重點設防類建筑，需要按9度加強抗震構造措施，框架和剪力墻的抗震等級均為一級。本建筑采用消能減震設計，以滿足其作為防災救災建筑的要求。

根據《建筑消能減震技術規程》（JGJ 297—2013）[2]6.2.1節中對消能器布置規則的要求，黏滯阻尼器宜連續布置，防止個別層剛度突變，出現薄弱層。在地上主體結構平面主軸X、Y方向分別對稱布置10組阻尼器，每層共計20組，共180組。本文通過對該框剪結構進行彈塑性時程分析，研究減震結構的性能優勢。

2 計算分析模型和結構動力特性

2.1 構件有限元模型

黏滯消能器是一種速度型消能器，其受力的基本表達式為：

[Fdt=C0·uat] ? ? ?（1）

式中，Fd（t）為阻尼器抗力;C0為零頻率時線性阻尼常數;u1（t）為阻尼器活塞的相對運動速率;α為阻尼指數，常取0～1[7]。

本工程選用華中建科工程科技有限公司生產的VFD-350*30E型黏滯阻尼器。阻尼器采用人字形鋼支撐連接形式。

2.2 結構的動力特性

減震結構和非減震結構模型的前6階模態及其振型特征如表1所示。通過對比可知，加入黏滯阻尼器后，結構的第一周期略增加5%，這是因為人字形鋼管砼支撐和阻尼器自身的重量增大了結構自重，使結構的自振頻率減小。兩種結構其余五階周期基本相同，說明布置黏滯阻尼器沒有增加結構的剛度，沒有改變結構的振動特性。減震結構模型中以扭轉為主的第一自振周期Tt（0.538 s）與平動為主的第一自振周期T1（0.650 s）之比為0.83，小于A級建筑0.9的限值，符合《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[7]3.4.5條第2款中的要求，結構具有必要的抗扭剛度。

3 地震波的選擇與輸入

本文選取的地震波來自SATWE，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）[8]（以下簡稱《抗規》）5.1.2.3條的規定，選取兩條天然波和一條人工波。每條波均采用雙向輸入，水平地震作用按先后輸入的次序將地震波的加速度峰值調整為1∶0.85。本文只研究天然波對應的地震工況TH065-XY。8度（0.2 g）罕遇地震下加速度有效峰值取為400 cm/s2。根據《抗規》5.1.2條規定，輸入的地震加速度時程曲線的有效持續時間應大于min（15 s，5T1）=15 s，本建筑有效持續時間設為26 s，框剪結構阻尼比5%。采用HHT-α法進行非線性時程分析，數值阻尼α取-0.02，計算步長取0.02 s。

4 工況TH065-XY作用減震結構與抗震結構對比

4.1 變形和內力

兩種結構X方向最大層間位移角包絡曲線和基底剪力時程曲線分別如圖1和圖2所示。對比可知，減震結構和抗震結構的柱子和剪力墻的最大層間位移角分別為1/234和1/167。減震結構比抗震結構的層間位移角平均值減小28%，基底剪力平均值減小74%，兩種結構的層間位移角最大值均滿足1/100的限值要求。計算結果表明，黏滯阻尼器能顯著減小結構在地震作用下的變形和內力。

4.2 累計耗能和承重構件損傷狀態

通過ETABS統計得到罕遇地震下兩種結構的總能量組分對比表，如表2所示。對比可知，減震結構的總輸入能量略增大7.7%，但黏滯阻尼器耗能在結構整體總輸入能量中占比達19.6%。減震結構中阻尼器滯回耗能占整體非線性耗能的30.6%，使框架梁、柱和剪力墻等承重構件的滯回耗能下降22%，減少其開裂破壞，說明黏滯阻尼器能率先耗散掉輸入結構的大部分地震能量，從而保證主體結構安全。

4.3 能量法計算附加阻尼比

根據《建筑消能減震及隔震技術標準》（DG∕T J08-2326—2020）[9]6.3.2條第2項，時程累計耗能比法計算消能部件附加給結構的有效阻尼比的公式為：

[ξd=ξdtmax=η2ξ0×EdtEctmax] ? ?（2）

式中，ξd（t）max為消能減震結構附加有效阻尼比時程最大值;η2為有效阻尼比折減系數，一般取0.9;ξ0為減震結構固有模態阻尼比;Ed（t）為消能器累計耗能時程;Ec（t）為減震主體結構固有模態阻尼累計耗能時程[9]。

根據本建筑非線性時程分析得：Ed（t）=22 330 kN·m，Ec（t）= 38 257 kN·m，ξ0=5%，計算出的附加有效阻尼比ξd=2.6%。

在減震結構層間位移角最大的樓層（第4層）沿著其X方向選擇一個典型的黏滯阻尼器，顯示其滯回曲線，如圖3所示。圖3中顯示該阻尼器的出力達到340 kN左右，接近該阻尼器的最大阻力350 kN，阻尼器最大軸向變形達到29 mm，沒有超過容許變形30 mm。滯回曲線呈飽滿的回字形，說明阻尼器非線性耗能顯著。

5 結語

在對某框剪結構分別進行消能減震設計和普通抗震設計的情況下，進行罕遇地震下的彈塑性時程分析，對比計算結果得出以下結論：增設黏滯消能器沒有改變結構的動力特性，即沒有增加結構的剛度;減震結構基底剪力和層間位移角均較非減震結構顯著減小;從能量角度來看，阻尼器滯回曲線飽滿，耗能明顯，阻尼器非線性耗能占結構整體總非線性耗能的30%，有效減少受力構件的塑性屈服;罕遇地震下阻尼器能為結構提供2.6%的附加阻尼比。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑工程抗震設防分類標準：GB 50223—2008[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑消能減震技術規程：JGJ 297—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[3] 中國工程建設標準化協會.消能減震加固技術規程：T/CECS 547—2018[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[4] 李英民，劉建偉，周自強.基于性能的抗震加固方法在框架結構中的應用[J].建筑結構，2012（7）：88-92.

[5] 楊洋.大愛健康醫療中心消能減震方案分析與設計研究[J].建筑結構，2017（S1）：600-603.

[6] 張立成，郭澤文，孫江波，等.新型黏滯阻尼墻在某框架—剪力墻結構中的應用[J].建筑結構，2016（16）：63-67.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ 3—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[9] 上海市住房和城鄉建設部.建筑消能減震及隔震技術標準：DG∕T J08-2326—2020[S].上海：同濟大學出版社，2020.