采用粘滯阻尼器的某口腔門診樓消能減震設計

白謹瑋 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 650501)

0 引言

消能減震[1]在改善并提高建筑抗震性能方面起著關鍵作用。如何準確評價消能減震裝置的減震效果是減震結構設計中的首要問題。在減震結構進行設計中，我們可以在新的減震設計和傳統的抗震設計之間引入附加阻尼比[2]，這樣當我們在抗震設計中遇到新問題時，就可以有效運用眾所周知的抗震設計方法來解決。在減震結構強度的設計中，為了確定減震后的抗震作用，可依據附加阻尼比考慮耗能阻尼器的影響，減震前后的減震效果則能夠根據結構位移和樓板剪力來反映。

1 工程概況及結構設計方案

1.1 工程概況

本項目位于云南省，建筑用途為口腔門診樓。該門診樓的建筑高度為21 m，整體結構為框架結構,地面結構為5層，如圖1所示。

依據規范《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223—2008)[3]，該門診樓結構設計使用年限為50 a，安全等級為一級，建筑物抗震設防分類為丙類，抗震設防烈度為7度(0.15g)，地震分組為第三組，場地類別為II類，整棟建筑物的抗震等級為二級。不利因素：場地處于邊坡，根據規范規定，考慮邊坡放大系數1.4。

圖1 口腔門診樓的結構模型

1.2 結構設計方案

本工程主體結構設計和以后的施工圖設計都貫穿了強柱弱梁、強剪弱彎的原則，本次樓梯的加固和連接按規范要求進行加強。結構單元平面形狀呈不規則形狀，設計應符合《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[4]的要求，并且設計系數應盡量滿足規范中大于1.2的要求，但不應大于1.4的限制，且豎向規則、側向剛度、樓板承載力不突變，不出現薄弱層。

消能構件:粘滯阻尼器作為耗能構件用于本工程抗震設計，目的是為結構提供一定的附加阻尼比而進一步減小輸入的地震作用。

2 消能減震方案

2.1 消能減震方案

該門診樓采用粘滯阻尼器[5]作為其消能減震裝置。該裝置解決了常規直接地震計算中遇到的各種問題。雖然在建筑結構中加入減震器使得投資加大，但提高了整體結構的安全性，增強了建筑的抗震能力。同時，建筑結構中減震器的安裝減少了結構中鋼筋和混凝土的用量，降低了結構主體部分的成本，安全且經濟。

從功能和研究發展歷史來看，粘滯阻尼器具有以下優點:

(1)粘滯阻尼器在其他領域已經發展了很長時間，表明其具有良好的可用性和可行性，具有豐富的設計經驗。

(2)一般的阻尼器需要經常檢查維修，大地震后更經常需要更換，而粘滯阻尼器基本不需要維修，可以長期放置。地震后，原則上不會損壞阻尼器，不需要更換，可以繼續使用，即使需要更換，也很容易。

(3)粘滯阻尼器屬耗能裝置，因此在消能過程中溫度會有一個上升或下降，但溫度的變化對粘滯阻尼器的消能功能方面不會有太大影響。

(4)在被動裝置的耗能系統中，粘滯阻尼器是一種速度相關型的耗能裝置，不會增加結構剛度，導致結構周期縮短。結構的阻尼比只受粘滯阻尼器影響，不增加剛度而直接影響結構周期。

2.2 結構減震目標和性能目標

消能減振器連接部件及節點的減震目標、性能目標及設計方法見表1、表2。

表1 層間位移角限值

表2 結構性能目標及設計方法

3 消能減震器布置方案

減振器的位置：在樓層平面內布置遵循“均勻、分散、對稱”的原則，每層布置位置相同，具體位置見圖2，阻尼器示意見圖3。

圖2 減震器平面布置

圖3 減震器示意

為了方便查看各個減震器的力和位移情況，將每層減震器進行編號，如表3所示。編號命名規則：方向-樓層(建筑樓層)-減震器型式-序號。例如：x-i-Q-2意思是x向第i層墻式粘滯阻尼器2號，其中：Q表示墻式阻尼器。

表3 減震器編號

4 模型的建立與對比

該門診樓為鋼筋混凝土框架結構。該模型是根據PKPM模型得到的，由PKPM軟件導入SAP。模型結果如圖4所示。

比較了SAP和PKPM計算的質量、周期和層間剪力、層間位移和層間位移角，以此來檢驗建立的結構模型的準確性，如表4、表5所示。SAP2000、PKPM計算的結構質量分別為3 190、3 229 t，差值為(3229-3190)/3190=1.22%。

圖4 SAP2000模型

表4 結構周期對比(前三階)

表5 結構地震剪力對比

結合對比計算分析結果，各層結構質量、周期、剪力差異不大，所以兩個軟件建立的模型基本一致。

5 地震波選取

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)中第5.1.2條，當采用時程分析法時，應根據該門診樓所處的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，其中實際強震記錄數不應少于總數的2/3。在彈性時程分析中，每條時程曲線計算的結構底部剪力不應小于模態分解反應譜法計算的65%，多條時程曲線計算的結構底部平均剪力不應小于模態分解反應譜法計算的80%。這樣做的意義在于使時程分析結果滿足最低安全管理要求，但計算結果不宜過大，每個地震波的輸入計算不宜大于135%，平均值不宜大于120%。本工程共選取了實際5條強震記錄和2條人工加速度時程曲線，如表6、表7所示。

表6 非減震結構底部剪力對比 kN

表7 地震波信息

地震波的反應譜曲線及加速度時程曲線如圖5、圖6所示。

圖5 地震波的反應譜曲線

6 彈性時程分析

本項目利用PKPM建立結構模型，然后利用SAP2000建立彈塑性時程分析[7]的減震和非減震結構模型，其中SAP模型中的粘性阻尼器采用非線性元件Damper模擬[8]。結合計算分析結果，表8、表9、表10分別為運算分析后得出的減震與非減震結構x向和y向的樓層剪力比、樓層層間位移比和樓層層間位移角。

圖6 加速度時程曲線

表8 層間剪力比對比

表9 樓層層間位移比對比

表10 樓層層間位移角 1/rad

7 結構彈塑性時程分析

7.1 建立大震模型

運用SAP2000建立該門診樓減震結構并運行彈塑性分析，在SAP2000中，使用連接單元Damper準確模擬粘滯阻尼器，主體結構框架梁、柱均定義塑性鉸[9]。

根據規范在彈塑性時程分析中對所選的地震波進行調幅。并選取其中3條地震波數據信息進行大震分析，取該3條地震波包絡值作為分析結果。

為了分析結構在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結構的彈塑性性能，如層間位移角、地震剪力、位移、塑性鉸分布等，需要在分析單向地震輸入作用下結構彈塑性動力性能的基礎上得出結構地震作用響應結果，結構彈塑性時程分析結果如表11、表12所示。

表11 大震下非減震和減震的x向結構層間位移

表12 大震下非減震和減震的結構層間位移角 1/rad

7.2 結構出鉸情況

依據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)所得，結構在地震作用下必須具有合理的耗能機制，容許結構在大震作用下部分構件進入塑性,其目的是為了能夠保障“大震不倒”這一原則。結構耗能與結構出鉸情況及出鉸順序有關。

579號波在彈塑性分析過程中結構的變化如圖7、圖8所示。

(a)結構在第610步出絞情況 (b)結構在第700步出絞情況 (c)結構在第1 000步出絞情況

(d)結構在第1 500步出絞情況 (e)結構整體在第1 500步出絞情況

(a)結構在第610步出絞情況 (b)結構在第700步出絞情況 (c)結構在第1 000步出絞情況

(d)結構在第1 500步出絞情況 (e)結構整體在第1 500步出絞情況

8 結論

(1)結構主體在小震作用下具有彈性，粘滯阻尼器在小震作用下貢獻了附加阻尼比，因此在小震作用下開始屈服并消耗能量。

(2)罕遇地震，構件開始進入塑性，框架梁先有梁鉸，柱有柱鉸，所以結構滿足“強柱弱梁”的要求。

(3)在大地震作用下進入塑性并出現塑性鉸的只有部分結構構件。層間位移角在x方向為1/169，在y方向為1/161。結果表明，添加了粘滯阻尼器的結構保障了結構的安全性，具備了良好的抗震耗能機制，達到了預期的目標。

(4)在罕遇地震下，所有阻尼器均進入一個塑性滯回耗能狀態，在降低能耗方面起到了很好的作用，為主體結構提供了安全技術保障。