消能減震技術在工程結構設計中的應用

雷才波

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司昆明分院，昆明 650200）

1 工程簡介

本項目中綜合樓平面尺寸為54.55 m×14.35 m，建筑面積為1 438.27 m2，建筑層數為3層，結構形式為框架結構，基礎采用柱下條形基礎，建筑高度為11.925 m，抗震設防分類為重點設防類。抗震設防烈度為8度，0.2g，第三組。場地土的類型屬中軟場地土，擬建場地屬Ⅱ類建筑場地。

2 常規計算

綜合樓混凝土強度等級除墊層外均為C30，首層柱斷面為600 mm×600 mm，梁最大斷面為400 mm×600 mm，各層樓板厚為100～120 mm。計算振型數為9。由于綜合樓為乙類建筑，框架抗震等級及構造措施按一級計算。

由于綜合樓首層層高較高，且位于高烈度區，屬于乙類建筑，所以采用加大柱截面的方法提高結構的抗震能力。這種方法在很多情況下是有效的，但也存在以下問題：

1）結構主要構件截面過大、配筋過多，材料花費較多，工程造價大幅度提高，而且使得建筑使用功能受到限制，使用空間變小；

2）結構構件截面、配筋增大后，結構剛度將大幅度增加，結構在地震中吸收的地震能量也將大幅度增加；

3）地震能量將主要由結構構件的彈塑性變形來耗散，導致結構在大震中損壞嚴重，結構損傷模式仍然難以控制，對結構的安全不利；

4）兩個方向尺寸差異較大，導致兩個主軸方向的動力特征相差較大，Y方向位移角富余量較小；

5）偶然偏心規定水平力作用下，Y方向位移比過大。

3 減震設計

3.1 結構設計方案

該項目結構減震設計的主要內容如下：根據既定設計目標確定減震設計中的阻尼比，以便選擇合適的阻尼參數，確定阻尼器的型式與具體的安裝部位。利用有限元計算分析軟件對附加了阻尼器的結構進行多遇地震計算分析，配筋計算模型采用時程均值進行計算，同時采用兩種不同軟件的包絡設計值作為配筋計算結果。對于結構在罕遇地震下的計算分析內容主要以位移計算分析為主，同時對超過承載能力極限狀態的構建進行適當的調整。

3.2 減震設計目標

在結構減震設計中，確定合理的減震目標是設計的關鍵所在，這是由于減震目標的設立關系到結構經濟性與穩定性的均衡，是實現減震設計性價比的最根本因素。在確定減震設計目標時，既要達到常規設計的要求，同時也要盡量減少消能元件的使用量。

3.3 減震設計過程及方法

3.3.1 結構建模

根據建筑條件，按傳統結構設計方法用YJK（或PKPM）軟件建模計算，保證模型各項指標（周期比、位移角、位移比、剪重比等）滿足規范要求。將已建好的YJK（或PKPM）模型導入ETABS中，使用膜單元模擬樓板，將ETABS和YJK（或PKPM）建立的非減震結構模型計算得到的質量、周期和振型分解反應譜法下的層間剪力、層間位移及層間位移角進行對比。本工程兩者結果差值1.551%～3.546%，兩者計算結果差異很小，因此，兩種軟件計算模型基本上是一致的。該步驟僅用于驗證兩種軟件計算差異很小，可以互通使用。

3.3.2 確定附加阻尼比

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）消能減震結構的總阻尼比應為結構阻尼比和消能部件附加給結構的有效阻尼比的總和。

采用YJK（或PKPM）軟件試算的方式，首先估算出當結構達到目標位移值時，所需的總阻尼比，再用總阻尼比減去結構阻尼比，就是結構所需的附加阻尼比，采用ETABS軟件進行附加阻尼比的校核計算。本工程中采用YJK軟件試算，當結構達到減震目標位移值時，所需阻尼比為7%，所以附加阻尼比2%。

3.3.3 確定阻尼器的參數和數量及安裝位置和型式

由所得的附加阻尼比，根據經驗及建筑平面布置，假定阻尼器布置的位置，使用連接單元準確模擬阻尼器代入ETABS模型中試算，不斷嘗試調節連接單元參數、阻尼器的位置或數量使計算結果滿足附加阻尼比的要求，最終根據滿足要求的連接單元的參數選擇相應的阻尼器產品，得出結構所需阻尼器的阻尼系數和阻尼指數，同時確定阻尼器的數量。

阻尼器的安裝位置：阻尼器在樓層平面內的安裝布置應遵循“均勻、分散、對稱”的根本原則，盡量降低地震時的應力集中，并均衡結構剛度。阻尼器的豎向布置則應以非減震設計模型計算所得的最大層間位移角數據為依據，將阻尼器安裝在位移角偏大的位置。之后再對安裝了一個阻尼器的模型展開有限元分析計算得到最大層間位移角位置，再次安裝阻尼器，如此循環下去，最終完成阻尼器的豎向布置。但需要注意的是阻尼器的安裝不能在某一層過于集中，也應盡量豎向均勻安裝。同時阻尼器應優先選用懸臂墻式黏滯阻尼器以免對建筑使用功能造成影響。

3.3.4 建立有限元模型，選取地震波，進行小震彈性時程分析

在ETABS中，使用連接單元準確模擬黏滯阻尼器，選取符合規范要求的5條天然波和2條人工波，對結構進行小震下彈性時程分析。所得內力結果與未采用減震技術結構進行比較，該部分為采用減震技術最核心內容，對比內容及結果詳見后文計算結果對比。

3.3.5 對結構進行大震彈塑性分析

使用SAP2000進行減震結構的彈塑性時程分析，分析主體結構進入塑性的變形特征及阻尼器在大震下所發揮的特性。在SAP2000中，使用連接單元damper模擬黏滯阻尼器，主體結構框架梁、柱均定義塑性鉸。彈塑性時程分析過程中，在彈性時程分析的基礎上選擇3條地震波進行計算分析，最終結果取3條地震波作用下的包絡值。大震作用下X方向減震結構層間位移角1/260，未采用減震結構為1/155，Y方向減震結構層間位移角為1/250，未采用減震結構為1/184。

4 計算結果對比

本文將未采用減震技術模型計算結果和采用減震技術計算主要結果進行比較。

4.1 結構自振周期對比

采用減震技術，結構自振周期變小，如表1所示。

表1 兩種設計方案的結構自振周期對比

4.2 結構位移角對比

由表2可知：采用減震技術后，各樓層位移角提高較明顯，為Y方向提供較大抗側剛度，使兩個方向位移角值更接近，更符合規范要求的兩個方向動力特性宜相近的要求。在不改變梁柱斷面的情況下使結構有了更多富余剛度。

表2 兩種設計方案的結構位移角

4.3 結構位移比對比

由表3可知，建筑平面尺寸為54.55 m×14.35 m，所以X向剛度較大，Y向相對較弱，所以采用減震技術時對Y向位移比改善較明顯。

表3 兩種設計方案的結構位移比

4.4 結構底部剪力、剪重比對比

由表4可知，采用減震技術后，兩個主軸方向各層剪力變小7.61%～10.32%。所以所需抵抗地震剪力的鋼筋相應減少。

表4 兩種設計方案的結構底部剪力、剪重比

5 結論

經過以上計算結果對比，可以發現：（1）采用減震技術能有效地減小層間位移角，增加安全儲備；（2）設計時可以根據需要,在位移較大的位置布置阻尼器，使結構位移比減小；（3）減震技術在不增加梁柱斷面的情況下，減小含鋼量，使經濟性更好；（4）減震技術可以有效地減小底部地震剪力，保證地震作用下結構的安全。

綜上所述，對高地震烈度地區的建筑工程設計時，對重要的、大型的建筑可以優先考慮采用消能減震技術，不僅符合當今社會人們對建筑工程越來越高的抗震設防要求，也滿足人們對建筑使用功能、使用年限、經濟性等的訴求，是結構抗震設計的發展趨勢。