某辦公樓采用黏滯消能器的消能減震設計

王成志 沈 婷 魏結強 潘慶祥

(浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

0 引言

中國是世界上地震災害最嚴重的國家之一，如何提高房屋的抗震性能已經成為工程設計中需要解決的關鍵問題。傳統的設計思路是通過結構抗側力構件進行抗震，在高烈度區，需要較大的構件截面去抵抗地震，甚至需要改變結構體系(如增加抗震墻)。這種“硬抗”地震的方式需要結構提供足夠的剛度，但這樣又會進一步加劇地震反應。消能減震技術另辟蹊徑，通過設置消能器來耗散地震輸入能量，以“消”代“抗”，為結構抗震提供了新的解決方案。近年來，消能減震技術越來越多的應用于建筑工程中。與相應的非消能減震結構相比，消能減震結構可減少地震反應20%～40%左右，從而增加結構抗震能力，保護主體結構的安全[1]。本工程即采用黏滯消能器進行消能減震設計。

1 工程概況

本工程建筑功能為科研辦公，地上12層，地下1層，標準層層高4.5 m，房屋高度51.9 m，建筑面積23 928 m2。結構采用現澆鋼筋混凝土框架—剪力墻體系，抗震設防類別為丙類，設計使用年限為50年，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.2g，建筑場地為Ⅲ類，設計地震分組為第一組，剪力墻抗震等級為一級，框架抗震等級為二級，基本風壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，結構模型如圖1所示。

方案階段采用傳統的框架—抗震墻結構體系進行試算，需要將Y向抗震墻加厚至500 mm，框架柱截面加大到1 200 mm才能使得Y向層間位移角滿足規范[2]要求，但這種通過增加結構剛度來硬抗地震的做法進一步導致結構地震反應加大，配筋量也顯著增加，甚至有一部分抗側力構件超筋。傳統的抗震方案使得工程造價提高，大震下結構的安全度降低，建筑使用功能也受到限制，這是業主和設計師不希望看到的。因此，本工程決定引入消能減震技術，通過“抗震”和“減震”兩種方式抵御地震作用，以滿足規范和設計要求。

2 結構消能減震方案

2.1 消能器類型的選擇

消能器根據力學性能不同可分為黏滯消能器、黏彈性消能器、摩擦消能器、金屬消能器、屈曲約束支撐等，它們都是通過附加阻尼來耗散地震能量。區別于其他四種消能器，黏滯消能器單純提供阻尼而不附加剛度，一般不會改變結構的動力特性和受力體系。本工程體型規則，沒有明顯的薄弱層，采用框架—剪力墻體系已經提供了相當的剛度，結構變形較大的根本原因是地震烈度較高，因此采用黏滯消能器這種無剛度的消能減震方案尤其適合，一方面能提供較大的阻尼進行消能減震，另一方面不會增加結構剛度而使得地震反應加劇或剛度突變形成新的薄弱層。因此本工程決定采用黏滯消能器進行消能減震設計。

2.2 消能器布置

消能器的布置宜遵循均勻、對稱的原則，避免產生扭轉效應；對于豎向規則的建筑，要盡量從下到上均勻布置[3]。本工程體型規則，無剛度突變樓層，綜合考慮建筑使用功能和優化計算結果，決定從下到上每層沿X，Y兩個方向各布置2套黏滯阻尼器，共計48套，消能器布置情況如表1所示，消能器平面位置及支撐方式如圖2，圖3所示。

表1 各樓層消能器布置

2.3 消能器參數

黏滯消能器的力學行為可以采用Maxwell模型來描述，消能器的阻尼力和變形之間的數學表達可采用下式[4]:

F=CVα

(1)

其中，C為阻尼系數；V為消能器變形速率；α為阻尼指數。阻尼指數α越小耗能效果越好，但α過小會使消能器內部產生高壓和射流，從而使得消能器性能不穩定，因此一般在0.2～0.4范圍內取值，本工程取為0.3。對原始框架—剪力墻結構進行反應譜計算，結果顯示中間樓層變形較大，為充分發揮消能器減震效率，對4層～9層的消能器選擇較大的阻尼系數(C=1 500 kN·(m/s)-0.3)。消能器的具體參數如表2所示。

表2 黏滯消能器參數

2.4 抗震設防目標

與傳統抗震結構相比，消能減震結構依靠消能器良好的耗能能力，在不改變結構布置和形式的情況下可以實現更高的抗震設防目標[3]。本工程的抗震設防目標定為：多遇地震時消能器即發揮耗能能力，主體結構保持彈性；設防地震下消能器充分發揮耗能能力，主體結構可能損壞，經一般修理或不需要修理仍可繼續使用；罕遇地震作用下消能器發揮最大功能，主體結構不發生嚴重破壞，彈塑性層間位移角不超過1/120。

3 地震作用下的結構消能減震分析

動力時程分析能夠直接輸入地震動來模擬結構和消能器在地震下的真實反應，計算結果直接明了，建議作為消能減震結構的主要分析方法。本工程采用YJK軟件進行小震彈性時程分析和大震動力彈塑性時程分析，考慮到建模時往往忽略掉黏滯消能器的線性有效剛度，為減小計算誤差，積分方法選擇Newmark直接積分法；彈塑性分析時梁、柱、斜撐采用纖維束模型，剪力墻和樓板采用分層殼模型。為提高計算結果的可靠性，按規范[2]要求選取7條加速度時程曲線進行分析，其中5條為實際強震記錄，2條人工模擬的時程曲線，最終取7組時程分析結果的平均值作為地震反應標準值。下文中未布置消能器的結構定義為無控結構，附加消能器的結構定義為有控結構。

3.1 多遇地震作用下結構彈性時程分析

對無控結構和有控結構分別進行多遇地震作用下的彈性時程分析，并與無控結構反應譜分析結果進行比較，將主要的計算結果(樓層剪力、結構變形等)列于表3，結構樓層曲線見圖4。

表3 多遇地震作用下結構時程分析結果

從表3中可以看出，無控結構時程分析結果略小于反應譜分析結果，但差別基本在10%以內；兩種分析方法均表明無控結構Y向層間位移角大于1/800，不滿足規范的彈性目標要求。減震前后的時程分析結果對比顯示，有控結構的基底剪力、樓層位移有了很大程度的降低，層間位移角也能滿足彈性目標要求，表明黏滯消能器在多遇地震下已經發揮了很好的減震效果。各樓層的層剪力減震率如表4所示，X，Y兩個方向的減震率相當，大部分樓層剪力減震率在30%以上。

表4 多遇地震下各樓層的層剪力減震率 %

3.2 罕遇地震作用下結構彈塑性時程分析

對結構進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，以期得到以下結果：1)通過減震前后結果對比考察消能器的減震效果；2)查看有控模型的層間變形和屈服機制，判定減震方案是否能夠實現預定的設防目標；3)讀取消能器的最大阻尼力、極限速度、極限位移等結果進行消能器設計；4)讀取與消能器相連的支撐及消能子結構構件內力，進行消能部件和消能子結構設計。現將動力彈塑性時程分析的主要計算結果列于表5。

表5 罕遇地震下結構動力彈塑性時程分析結果

從表5可以看出，無控結構頂部Y向最大位移488 mm，層間位移角1/91也超過了規范允許值，說明無控結構在大震下發生了很大的變形，已經接近倒塌。設置阻尼器后，有控結構的變形得到了很好的控制，層間位移角也能滿足預設的性能目標要求(≤1/120)，基底剪力有了顯著降低。Artwave-RH1TG055波罕遇地震作用下6層阻尼器的滯回曲線如圖5所示，從圖5中可以看出，阻尼器的滯回曲線飽滿，阻尼器最大出力711 kN，最大行程不超過±18 mm，耗能效果良好。

3.3 等效附加阻尼比

黏滯消能器理論上不提供靜剛度，而僅僅通過附加阻尼來耗散結構的地震輸入能量，因此可以采用附加等效阻尼比來評價減震效果，這樣也方便采用振型分解反應譜法進行主體結構的設計。《消能減震技術規程》基于能量和等效線性化方法，提出消能器的等效附加阻尼比ξa可以按照式(2)進行估算：

(2)

其中，Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移Δuj下往復循環一周所消耗的能量；Ws為設置消能部件的結構在預期位移下的總變形能。

按照上式算得的結構多遇地震下X向等效附加阻尼比為6.5%，Y向等效附加阻尼比為6.3%。取X,Y兩個方向較小值作為附加阻尼比，則有控結構總阻尼比為11.3%。將多遇地震下11.3%阻尼比的無控結構和布置消能器的有控結構計算指標進行對比，如表6所示。計算結果表明，11.3%阻尼比的無控結構反應譜分析結果比有控結構時程分析結果偏大，這說明采用規范方法計算的附加阻尼比是偏安全的。考慮到消能器性能偏差、連接安裝缺陷等不利因素影響，將上述附加阻尼比進行適當折減，折減系數取0.8，最終等效附加阻尼比取為5%。

表6 多遇地震下結構減震效果分析對比

4 結語

本工程經過多輪方案比選，最終采用黏滯消能器進行消能減震設計。對減震前后的時程分析結果進行對比，表明有控結構的地震反應顯著降低，消能器減震效果良好。對有控模型進行大震彈塑性時程分析，層間位移角小于1/120目標，減震方案能夠實現預定的設防目標。多遇地震下消能器的等效附加阻尼比偏安全的取為5%，主體結構可按10%的總阻尼比進行反應譜分析和設計。研究表明，消能減震技術對于高烈度區的房屋抗震設計具有重要的應用價值。