深圳某學校采用粘滯阻尼墻的抗震設計分析

潘志昆 刁子坤 雋杰龍 黃文虹

(1.中國建筑一局(集團)有限公司華南區域公司，廣東 深圳 518000； 2.江蘇美城建筑規劃設計院有限公司，江蘇 淮安 223005； 3.江蘇鴻升建設集團有限公司，江蘇 淮安 223005； 4.淮安市高新控股有限公司，江蘇 淮安 223005)

我國是一個地震頻發的國家，地震給我國帶來嚴重的損失，因此對于抗震設計的研究是一個長期攻克課題[1,2]。傳統抗震設計是利用結構自身進行抵抗地震作用，此方法是采用結構構件硬抗方法，因而受到地震破壞明顯。現代抗震設計通過在結構物合適位置添加某種裝置，利用其先于結構主體破壞來達到消耗地震能量，減小地震對主體結構的破壞，因此這種消能減震設計概念已廣泛運用[3-5]。

粘滯阻尼墻作為一種新型消能減震構件，在工程界應用較少[6]。地震作用下，上下樓層不同的運動速率導致粘滯阻尼墻上下鋼板產生剪切作用，其中阻尼墻的內鋼板在粘滯液剪切變形過程中摩擦消耗地震能量，從而達到消能作用[7]。在某中學項目設計中，考慮建筑重要性，采用粘滯阻尼墻作為消能構件，利用ETABS軟件進行多遇地震和罕遇地震抗震設計分析，結果顯示粘滯阻尼墻可有效降低結構響應，提高建筑的抗震性能，發揮很好的抵御地震的效果。

1 工程概況

本項目位于深圳坪山新區馬巒街道東縱路與規劃沙新路交匯處，總建筑面積為53 600 m2，主要的教學樓通過設縫分為三個單體，教學樓6層，屋頂標高為23.150 m，教學樓內設置粘滯阻尼墻。該建筑設計使用年限為50年，設防烈度為7度，設計基本加速度為0.15g，抗震設防為重點設防，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，結構抗震措施按照8度設防烈度考慮。利用ETABS建立有限元模型，如圖1所示。阻尼墻安裝樣圖見圖2。

根據建筑、結構等條件，消能減震結構設計擬采用框架—粘滯阻尼墻(VFW)的結構形式。粘滯阻尼墻布置在結構2層～6層，X向布置25個，Y向布置33個，共計81個；阻尼器參數如表1所示；設定小震附加阻尼比為2%。

表1 粘滯阻尼墻參數

2 結構設計

采用ETABS分析結構動力特性，對比無控模型與設置阻尼器結構的自振特性，無控模型周期為1.16 s，有控模型為1.25 s，自振周期幾乎沒有變化，表明粘滯阻尼墻只提供附加阻尼比而不提供附加剛度。

2.1 地震波選取

本工程采用3條地震記錄進行時程分析，本分析選取三條波進行彈塑性時程分析，其中T1(Big Bear-01_NO_940)和T2(Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3283)為天然波，R1(RH1TG035)為人工波，分析時間分別取前20 s，20 s和15 s，地震波時程曲線如圖3～圖5所示。對所選取的3條地震波進行頻譜分析(如圖6所示)，時程譜均包絡設計反應譜，符合規范要求。

其彈性時程分析結果與SATWE振型分解反應譜分析結果對比如表2所示，比例為各個時程分析與振型分解反應譜法得到的結構基底剪力之比，從分析結果可看出，三條時程曲線計算得到的結構基底剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，且三條時程曲線計算得到的結構基底剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，所選取的地震波滿足規范要求。

表2 基底剪力對比

2.2 阻尼器模擬

在ETABS的時程分析模型中，粘滯阻尼墻(VFW)采用Damper連接單元模擬，如圖7,圖8所示。

2.3 多遇地震下結構的反應

在多遇地震作用下，無控模型與有控模型結構對比如圖9所示。與無控模型相比，有控模型最大層剪力降低約10%。設置粘滯阻尼墻結構在多遇地震作用下X向最大層間位移角為1/1 191，Y向的最大層間位移角為1/1 200(見圖10)，有控結構各層間位移角約為無控結構層間位移角的60%～70%,符合規范要求的不大于1/550且滿足不帶1/800的性能目標。

2.4 罕遇地震下結構反應

彈塑性時程分析過程考慮材料非線性；采用小變形假定；不考慮結構的幾何非線性。對于運動微分方程的求解，選擇程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系數為-1/48。

由罕遇地震作用下層間位移角結果可知，設置粘滯阻尼墻結構最大層間位移角X向為1/202，Y向為1/209，滿足性能設計指標要求，同時滿足抗震規范中規定大震性能指標即小于1/50，如圖11所示。

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范，為了保證結構“大震不倒”，且在地震作用下具有合理的耗能機制，允許結構在大震作用下部分構件進入塑性。列舉在T1地震波作用下結構在大震彈塑性分析中的最終出鉸狀態(見圖12)。

可以看出，大震下，框架梁屈服狀態為B，為輕微屈服，大部分框架柱保持彈性，沒有出現屈服；框架梁的塑性鉸出現在兩端，且損傷程度大于框架柱，符合“強柱弱梁”的抗震設計要求，損傷機制合理。

2.5 阻尼墻滯回性能

滯回曲線反映的是阻尼墻在地震作用下的變形、剛度退化及能量耗散情況。圖13為兩個方向阻尼墻在罕遇地震作用下的滯回曲線，滯回曲線飽滿，位移行程較大，表現出粘滯阻尼墻在行程范圍內有較大的耗能效果，可降低梁柱等受力構件的損傷，提高結構的抗震性能。

3 結論

本節對結構整體模型進行小震彈性時程分析和大震彈塑性時程分析，計算了在三條地震波下減震結構的動力時程響應，主要結論如下：

1)小震下，減震結構X向和Y向最大位移角分別為1/1 191，1/1 200，滿足規范要求；粘滯阻尼器在X向和Y向附加阻尼比分別為2.20%，2.48%，可以有效減小結構地震作用，保護主體結構。

2)大震下，減震結構X向和Y方向最大位移角分別為1/202,1/209，滿足規范要求；框架梁屈服狀態為B，為輕微屈服，框架柱大部分保持彈性，沒有出現屈服；框架梁的塑性鉸出現在兩端，且損傷程度大于框架柱，符合“強柱弱梁”的抗震設計要求，損傷機制合理。大震下繼續處于耗能狀態，保護主體結構；其滯回曲線飽滿，耗散了大量地震作用。

3)大震下與粘滯阻尼器相連接的框架梁、柱均處于B狀態或者彈性，均未及C狀態，表明在大震作用下子結構受力小于構件極限承載力，滿足子結構設計的性能目標。