考慮黏滯阻尼器的框架結構減震技術研究

程海慶, 崔乃文

(中鐵四局設計研究院，安徽 合肥 230023)

0 引 言

建筑結構的抗震問題一直以來都是科學研究和工程技術人員非常關注的,傳統的抗震設計研究主要依靠結構自身的阻尼和動力特性,往往通過加大構件截面尺寸,調整構件布局來提高結構的抗震性能,這會在一定程度上造成設計的不經濟,尤其是在高烈度地區,傳統的設計方法可能已不再適用。

建筑消能減震設計通過在結構內設置消能部件以達到消減和吸收地震能量,其核心在于通過消能器的有效阻尼耗散大部分的地震能量,是一種柔性好能。很多研究表明:建筑結構設計中,消能器在小震作用下的地震力減震效果一般可達 5%～30%,大震下結構層間位移減震效果可達 30%左右,其在高烈度區更為實用。阻尼器的類型主要分為速度相關型和位移相關型,主要包括黏滯阻尼器、金屬阻尼器、摩擦型阻尼器等[1,2]。黏滯阻尼器屬于速度相關型,在發生地震時,阻尼器最大限度吸收和消耗了地震對建筑結構的沖擊能量,可大大緩解地震對建筑結構造成的沖擊和破壞[3,4]。

隨著建筑業的發展,消能減震技術的研究工作逐漸嶄露頭角,如今已得到了較快的發展,國內外出現了大量的有關消能器的布置、本構模型及優化布置的科學研究,對消能減震結構體地震響應分析理論和方法的研究也日漸晚完善,并被寫于規范之中。與此同時也出現了較多的工程實例,如上海世博會主題館、美國紐約世貿中心、加拿大康考迪亞大學圖書館、汶川地震后中小學教學樓及醫院的加固等,這些實例說明如今對減震研究的需求越來越大,如何通過合理地布置消能器達到既能大幅度減小地震響應又能較為經濟的目的已經成為一個重要的研究課題。

本文通過研究在框架結構中如何合理的選擇阻尼器的數量、布置方法和位置,希望達到降低地震響應的目的。

1 阻尼器工作原理

一般對于高烈度區,在結構中設置阻尼器。阻尼器給提供的附加阻尼為主結構提供高效的耗能能力,地震來臨之際,其對地震能量的大幅度削弱起到積極有效的作用[3]。

從能量的概念入手對耗能減震體系進行表述。地震中結構的能量方程總可以寫為:

傳統抗震結構:

Ein=Ev+Ec+Ek+Eh

耗能減震結構:

Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed

式中:Ein為地震過程中輸入結構體系的總能量；Ev為結構體系的動能；Ec為結構體系的阻尼耗能；Ek為結構體系的彈性應變能；Eh為結構體系的滯回耗能；Ed為附加體系所消耗的能量。

由于Ev和Ek本質上只是使能量實現了轉換而沒有被消散,Ec僅占總能量消耗的很小一部分,基本上可以忽略不計。所以在沒有添加阻尼器裝置的結構里Eh為地震能量耗散的主要部分。在設置了阻尼器的結構中,阻尼器的“柔性耗能”承擔了大部分結構本身本要消耗的能量,主結構的變形位移也會因為能量的消減而有所減小,損傷也會得到一定程度的控制。

速度相關型效阻尼器(如黏滯阻尼器)在水平地震作用下往復一周所消耗的能量,可按下式計算[2]:

式中:T1為消能減震結構的基本自振周期;Cj為第j個阻尼器的線性阻尼系數;θj為第j個阻尼器的消能方向和水平面的夾角;Δuj為第j個阻尼器的相對水平位移。

2 阻尼器的布置原則

消能部件的布置應使結構體系均勻(包括豎向和水平),受力合理;消能部件宜布置在層間相對位移或相對速度較大的樓層;消能部件的布置應便于維修、檢查及維護[45]。

3 工程實例

某工程抗震設防烈度 8 度,設計基本地震加速度峰值為 0.30g,設計地震分組第三組,Ⅱ類場地,場地特征周期0.45 s,采用框架結構形式,樓層數 6 層,無地下室,總高 19.8 m，如圖1所示。

圖1 某六層框架模型示意圖

3.1 計算程序和力學模型

采用 YJK建模,對無控模型進行小震反應譜法計算。此結構是鋼筋混凝土結構,其結構阻尼比為 5%。由反應譜計算結果知結構在規定水平力作用下最大位移角出現在2、3層,分別為1/395和1/380,大于規范限值1/550,各層X方向位移角較大。根據阻尼器布置原則,除了在2、3層各布置9個阻尼器外,在4、5層也布置4個阻尼器,均沿X方向,頂層地震剪力較小,不布置。布置模型如圖2所示。

圖2 阻尼器的布置

3.2 多遇地震作用下的時程分析

阻尼器參數設定為:初始剛度4.5×106kN/m,阻尼系數C=400 kN·s/m,阻尼指數0.2。采用YJK先對有控模型進行小震反應譜計算,進行生成數據+全部計算后,得到反應譜法計算結果。反應譜法計算是時程計算的中間過程。

根據《建筑抗震設計規范》第5.1.2條相關規定,選取5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線,采用直接積分法計算阻尼器的有效阻尼和有效剛度,并取時程計算的平均值和反應譜法計算的較大值作為最終計算結果,見表1。布置阻尼器的有控模型各層位移角均小于1/550,滿足抗震規范要求,各層構件沒有出現超筋現象,整體指標計算結果合理。

表1 反應譜法和時程分析法計算結果對比

布置阻尼器后,各樓層剪力及位移角與減震前對比分析見表2、表3及如圖4所示。由圖3、圖4可知,在位移角較大樓層布置阻尼器后減震效果明顯,基底剪力減小了36%,樓層剪力也大大減小。位移角通過阻尼器的布置也減小到1/550以下,滿足規范要求。這些充分說明阻尼器的布置是合理的。

表2 減震前后地震作用下結構的樓層剪力

表3 減震前后地震作用規定水平力下的層間位移角

圖3 結構減震前后X方向地震剪力對比

圖4 結構減震前后Y方向地震剪力對比

根據反應譜計算結果,在后處理 wzq.out 文件中可以查看X、Y方向的各振型的結構阻尼比:X方向地震阻尼比為22%,Y方向地震阻尼比為27.5%。根據《建筑抗震設計規范》第5.1.5條,阻尼調整系數計算公式:

式中：ζ為阻尼比。代入式中,得到η2x=0.606,η2y=0.567,實際的地震影響系數最大值α′=η2α=0.606×0.24=0.145,即實際的地震烈度已經降低到了8度(0.2g)以下?？梢?通過合理的布置阻尼器,其附加阻尼可減小地震力對結構的作用,減小地震烈度。通過時程分析法后處理中可以看到阻尼器的滯回曲線,圖5、圖6是三層某一阻尼器的滯回曲線,其有效剛度為:1 458 kN/m,有效阻尼為3 851 kN/(m·s)。其他阻尼器的有效剛度和阻尼均可通過后處理查看。

圖5 三層某阻尼器內力位移滯回曲線

圖6 三層某阻尼器內力速度滯回曲線

3.3 罕遇地震作用下的時程分析

消能減震設計時,除了要滿足多遇地震下的預期減震要求外,還要滿足罕遇地震下的位移要求。罕遇地震下需要對結構進行彈塑性變形驗算。根據《建筑抗震設計規范》5.5.5條相關規定,鋼筋混凝土框架結構彈塑性位移角限值為1/50;根據《建筑消能減震技術規程》第4.1.7條相關規定,結構目標位移的確定應根據結構的不同性能來選擇,宜采用結構總高度的1.5%作為頂點位移的界限值。

通過YJK動力彈塑性分析板塊,選擇3條地震波,地震加速度最大值設置為510 cm/s2,結果取包絡值，如圖7所示。由圖7可知,在時程分析的某個時間點部分構件產生了一定的損傷,說明構件已經進入塑性階段,需要且有必要采取彈塑性分析。計算結果表明:結構層間位移角最大值,X方向為1/112,Y方向為1/151,如圖8、圖9所示,均小于規范要求的1/50。根據圖7,頂點最大位移=120.8 mm<19.8 m×1.5%=297 mm,滿足規范要求。

圖7 結構損傷

圖8 結構層間位移角

圖9 結構樓層相對位移

4 結 論

本文基于減震技術和原理,通過合理的布置黏滯阻尼器,使結構有明顯的減震效果,且布置阻尼器后的計算結果滿足規范要求,總結如下:

(1) 相比于常規設計,多遇地震下,布置阻尼器的有控設計可大大減小地震作用下的基底剪力、各樓層剪力,結構位移明顯減少,其實際的地震烈度由8度半降低到了8度以下,且結構各層均無超筋現象,整體指標均滿足規范要求。通過時程分析和直接積分法得出了阻尼器的有效剛度和有效阻尼。

(2) 罕遇地震下,結構由于損傷發展進入塑性階段,但彈塑性位移角和頂點位移均滿足規范要求,設計合理。