粘滯阻尼器在高烈度區復雜結構中的應用研究

2021-07-20 08:15:24何思宇潘文張田慶

工業安全與環保 2021年7期

何思宇潘文張田慶

(1.昆明理工大學建筑工程學院昆明 650500； 2.昆明理工大學工程抗震研究所昆明 650500； 3.中國建筑第二工程局有限公司昆明 650500)

0 引言

隨著我國經濟的發展和人民物質生活水平的提高，我國建筑業對建筑抗震性能的要求越來越高，尤其是高烈度區的建筑[1]。消能設計主要通過設置消能裝置來控制結構在不同烈度地震作用下的預期變形，從而達到不同等級的抗震設防目標，是一種經濟有效的結構抗震手段[2]。

在消能設計中，采用粘滯阻尼器作為消能構件，主要是為結構提供一定的附加阻尼比，減小輸入結構的地震作用。根據消能減震裝置的設計計算，將結構的總阻尼比提高到預定值(在頻繁地震下，消能結構主體處于彈性工作狀態，消能裝置的滯回耗能為主體結構提供了附加阻尼)，提高了結構的安全性，提高了建筑物的抗震能力。本文以一個實際的住院樓采用消能減震設計為例，探討了以粘滯阻尼器作為消能器進行消能減震的技術在高烈度區復雜結構中的設計與應用。

1 工程結構概況

本工程位于云南西雙版納地區，為9層鋼筋混凝土框剪結構醫院住院樓，建筑總高度為36.60 m，總建筑面積為41 357.61 m2，結構安全等級為一級，重要性系數為1.1，設計使用年限50年，抗震設防分類為乙類(重點設防類)，抗震設防烈度為8度，基本地震加速度0.20g，地震分組第三組，場地類別為Ⅱ類，框架抗震等級為一級，剪力墻抗震等級為一級，地震力放大系數為1.25倍，峰值加速度在多遇地震下為87.5 m/s2，在罕遇地震下為500 cm/s2，采用粘滯阻尼器進行減震設計。

2 消能器的參數及分布

2.1 粘滯阻尼器懸臂墻剛度計算

本工程選用的粘滯阻尼器的形式為墻式，即粘滯阻尼器的支撐件是半片懸臂墻，因此支撐件沿阻尼器消能方向的等效剛度計算如下：

單片懸臂墻的彎曲剛度：

(1)

單片懸臂墻的剪切剛度：

(2)

單片懸臂墻的等效剛度：

(3)

式中，E為懸臂墻混凝土的彈性模量；G為懸臂墻混凝土的剪切模量；I為懸臂墻的慣性矩；A為懸臂墻的面積；l為懸臂墻的長度；λ為深梁截面形狀系數，矩形截面取6/5。

2.2 粘滯阻尼器的等效線性化

本工程采用的粘滯阻尼器為非線性阻尼器，由于非線性粘滯阻尼器理論公式在計算及工程應用中相當繁瑣，為便于指導實際工程，需將其轉化為等效線性來驗算，一般情況下可利用能量相等原理將其轉化為線性理論公式[3]，求出等效線性阻尼器系數，即：

Feq=Ceqv

(4)

式中，Ceq為等效線性粘滯阻尼系數。

根據能量等效原理可得：

(5)

式中，Ceq為等效線性粘滯阻尼系數；C1為2次項阻尼系數，一般為0；C2為m次項阻尼系數；m為阻尼速度指數，即?；U0為阻尼器振幅；ω為荷載圓頻率。

2.3 各類型阻尼器的剛度驗算

根據《建筑抗震設計規范》[4](GB 50011-2010)和《建筑消能減震技術規程》[5](JGJ 297—2013)的要求，速度線性相關型消能器與斜撐、墻體(支墩)或梁等支撐構件組成消能部件時，支撐構件沿消能器消能方向的剛度應符合下式規定：

Kb=6πCD/T1

(6)

式中，T1為支撐構件沿消能器消能方向的剛度，kN/m；CD為消能器的線性阻尼系數，kN/(m·s)；T1為消能減震結構的基本自振周期，s。

2.4 阻尼器布置原則及位置

在同一樓層布置阻尼器時，應遵循以下原則:均勻、分散、對稱。在滿足結構減震設計要求的同時，盡量不影響建筑功能，阻尼器之間的有效距離不宜過大，建議不超過60 m[6]。根據結構布置和結構的建筑使用功能，在結構中布置100個粘滯阻尼器，阻尼器型號為VFD-1，最大阻尼力為868 kN，最大位移為27 mm，最大速度為347 mm/s，其平面布置見圖1—圖3，各層阻尼器參數和數量見表1。

圖1 二層減震器平面布置

圖2 三層減震器平面布置

圖3 四—七層減震器平面布置

表1 各層阻尼器參數和數量

3 彈性時程分析模型建立與地震波的選取

3.1 模型建立

本工程為鋼筋混凝土框架-剪力結構。利用大型有限元分析軟件SAP2000建立結構模型，并進行了計算分析。這個模型是根據PKPM模型得到的，通過YJK軟件導入SAP，SAP2000模型如圖4所示。

圖4 SAP2000模型

為了校核所建立的結構模型的準確性，將SAP和PKPM建立的非減震結構模型計算得到的周期和振型分解反應譜法下的層間剪力進行對比(見表2、表3),結構周期和各層剪力方面的差異很小，因此兩模型基本上是一致的。

表2 結構周期對比(前三階) s(除差值外)

表3 結構地震剪力對比 kN

3.2 彈性時程分析地震波選取

《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)第5.1.2條規定，采用時程分析法時，應根據建筑場地類別和設計地震分組選擇實際強震記錄和人工模擬加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法采用的地震影響系數曲線在統計上一致。

《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)第5.1.2條規定，選取5個自然波和2個人工波，每個時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多個時程曲線計算所得結構底部平均剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。從工程角度來看，可以保證時程分析結果滿足最低安全要求，但計算結果不宜過大，每次地震波輸入計算不超過135%，平均值不超過120%。與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，多組時程波的平均地震影響系數曲線在結構主振型對應的周期點相差不超過20%。

充分考慮地震動的3個要素:振幅、頻譜特征和地震動持續時間[7]，選取了5條強震實記錄和2條人工模擬加速度時程曲線。加速度時程曲線如圖5所示。

圖5 加速度時程曲線

7條地震波作用下SAP2000的彈性時程分析結果與YJK振型分解反應譜法的結果對比如表4所示，時程反應譜與規范反應譜曲線對比如表5和圖6所示，結果顯示滿足規范要求，可以應用于彈性時程分析。

表4 非減震結構底部剪力對比表

表5 時程反應譜與規范反應譜曲線對比表

圖6 時程反應譜與規范反應譜曲線對比

3.3 彈性時程分析結果

因本工程結構特殊，結構平面存在凹凸不規則，選取0°、33°、90°、-57°共4個角度進行彈性時程分析，以下例舉特殊方向-57°在地震外力作用下X、Y向樓層剪力對比結果，如圖7和圖8所示，X、Y向層間位移角對比結果如圖9和圖10所示。

(a)減震前

多遇地震作用下，在-57°的特殊角度下，X方向和Y方向的平均減震率分別為58.81%和66.31%。可以看出，在小震的情況下，粘滯阻尼器在復雜結構的多角度分析中發揮了作用，有效降低了結構的樓層剪力。

在多遇地震作用下，結構最大層間位移角減震目標為 1/900，特殊角度-57°，X向平均減震率為55.60%，Y向平均減震率為 65.48%。多角度計算分析結果表明，在結構中加入粘滯阻尼器可以有效減小結構的層間位移角，提高框架的抗震性能。

4 附加阻尼比的計算

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)第12.3.4條，消能部件附加給結構的有效阻尼比，可按下式估算：

(7)

式中，ξa為消能減震結構的附加有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移△uj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應變能。

對布置在結構中的全部100個粘滯阻尼器進行受力分析和位移驗算，提取阻尼器在7個地震波作用下的輸出和位移結果，計算阻尼器的整體耗能，同時提取層間剪力和層間位移，計算結構的總應變能[8]。通過對7種地震波作用下的彈性時程分析，得到了4種不同角度的粘滯阻尼器的附加阻尼比，見表6—表9。結果表明:無論主方向或特定角度，均可獲得預期的附加阻尼比。