配置粘滯阻尼器的消能減震結構的有限元分析

康 楠

（太原市城鄉規劃設計研究院，山西 太原 030002）

0 引言

近年來隨著經濟社會快速發展，建筑結構抗震性能要求越來越高，減震隔震技術日益得到廣泛應用。消能減震結構主要是通過在主體結構體系中設置減震裝置（阻尼器、屈曲約束支撐等），使其在地震發生時吸收能量，從而降低主體結構體系的地震響應以保護主體結構在地震作用下的結構安全，并有效降低結構構件尺寸及配筋。該技術對高烈度區的重點設防類建筑有顯著效果。本文通過對太原某幼兒園建筑的消能減震結構的有限元分析，探討了粘滯阻尼器在減震結構中的應用。

1 工程概況

工程位于太原市萬柏林區，地上3 層（局部2 層頂設室外活動平臺），無地下室，1~3 層層高均為3.9m，采用鋼筋混凝土框架結構，結構總高度12.6m，總建筑面積為2183.70m2。該結構計算模型主視圖如圖1。

圖1 結構計算模型主視圖

擬建工程所處地區抗震設防烈度為8 度（0.20g），設計地震分組為第二組。擬建場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.55s，建筑抗震設防類別為重點設防類（乙類），框架結構抗震等級一級。

根據《山西省住房和城鄉建設廳關于積極推進建筑工程減隔震技術應用的通知（第115 號）》晉建質字〔2014〕115 號文件要求，抗震設防烈度8 度區的新建幼兒園必須采用減隔震技術。該工程采用配置粘滯阻尼器的消能減震方案進行結構設計。

2 減震設計

2.1 減震設計方法

首先根據建筑條件對該工程使用PKPM 軟件進行結構建模計算，初步得到結構整體計算指標，然后使用Etabs 軟件進行結構有限元計算與分析。通過對比PKPM 軟件和Etabs 軟件的非減震模型計算結果可知，Etabs分析軟件和PKPM結構軟件模型計算得到的質量差值為-0.8%，周期最大差值為-4.24%和主要樓層層間剪力最大差值為3.4%，兩者計算結果接近，因此Etabs 軟件作為該工程減震分析的有限元計算軟件是準確的，可以真實地反映結構基本特性。通過對PKPM非減震模型計算，初步確定該工程結構體系目標阻尼比確定為8%（即附加阻尼比為3%），此時既可滿足規范對結構體系的指標要求，又能使得結構構件尺寸及配筋均較為合理。

2.2 阻尼器布置及參數

綜合考慮減震目標及建筑功能的需要，共布置9臺阻尼器，布置如下：X 方向4 臺（第1、2 層各分別布置2 臺），Y 方向5 臺（第1 層3 臺，第2 層2 臺）。阻尼器參數如下：型號：NZNQW-500kN-e50，設計阻尼力：500kN，阻尼系數：650kN/（m/s）0.3，阻尼指數：0.3，首層阻尼器平面布置如圖2所示。

圖2 首層阻尼器平面布置圖

2.3 多遇地震作用計算

該工程選取5 條天然波和2 條人工波進行時程分析，7條波平均值與振型分解反應譜法的地震影響系數曲線在統計意義上相符。多組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%。地震波在兩個方向基底剪力最小值與最大值分別為反應譜計算結果的86.3%和107.1%，滿足規范對差值<±35%的要求，且7條時程曲線：80%＜平均基底剪力均＜120%，滿足規范要求，可以用于工程設計。

計算得到的減震結構在多遇地震作用下各層層間位移角見表1 所示，由表1 可知計算結果均小于1/550，滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）表5.5.1 要求的“鋼筋混凝土框架結構△u/h應小于1/550”。通過設置阻尼器，結構各層層間位移角均有所減小，進一步提高了結構的安全儲備，阻尼器發揮了很好的耗能能力，提高了結構的抗震性能。

表1 多遇地震下各層層間位移角

計算得到減震結構在多遇地震作用下各層層間剪力見表2所示。由表2可知，減震結構計算得到的各層層間剪力均小于未設置消能器的非減震結構（減震率13.9%~22%），減震效果顯著且符合預期。

表2 多遇地震下各層層間剪力

2.4 罕遇地震作用計算

該工程選取2 條天然波和1 條人工波進行時程分析，3條波平均值與振型分解反應譜法的地震影響系數曲線在統計意義上相符。該工程的抗震設防烈度為8度，地震峰值加速度為0.20g，特征周期在原基礎上增加0.05s，即特征周期0.55+0.05=0.6s。多組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%。地震波在2 個方向基底剪力最小值與最大值分別為反應譜計算結果的96%和113.8%，滿足規范對差值小于±35%的要求，且3 條時程曲線：80%＜平均基底剪力值＜120%，滿足規范要求，可以用于工程設計。

計算得到的減震結構在罕遇地震作用下各層彈塑性層間位移角見表3所示。由表3可知，各層彈塑性層間位移角均小于1/50，滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）表5.5.5 要求的“鋼筋混凝土框架結構彈塑性位移角限值△u/h應小于1/50”。通過設置阻尼器，結構各層層間位移角均有所減小，進一步提高了結構的安全儲備，阻尼器發揮了很好的耗能能力，提高了結構的抗震性能。

表3 罕遇地震下各層層間彈塑性位移角（X向）

計算得到的減震結構在罕遇地震作用下各層層間剪力見表4所示。由表4可知，減震結構計算得到的各層層間剪力均小于未設置消能器的非減震結構（減震率11.8%~21.5%），減震效果顯著且符合預期。

表4 罕遇地震下各層層間剪力

計算得到減震結構在罕遇地震作用下，阻尼器最大出力為477kN，最大位移為41.4mm。根據阻尼器最大出力和位移要求，初步選定阻尼器參數為：設計阻尼力500kN，設計位移50mm。

2.5 附加阻尼比計算

根據《建筑抗震設計規范》12.3.4 規定消能部件附加給結構的有效阻尼比可按照下式計算：

式中：Wcj——第j個消能部件在結構預期層間位移下往復循環一周所消耗的能量；

Ws——設置消能構件的結構在預期位移下的總應變能。

多遇地震情況下阻尼器為結構提供的附加阻尼比結果：X向附加阻尼比5.22%，Y向附加阻尼比4.55%，包絡附加阻尼比4.55%。根據《山西省工程建設標準設計圖集》（DBJT04-39-2015，晉14G08）總說明第七.7 條的要求，附加有效阻尼比應考慮消能器性能偏差，乘以調整系數0.7，即附加有效阻尼比為4.55%×0.7=3.19%。

罕遇地震情況下阻尼器為結構提供的附加阻尼比結果：X向附加阻尼比2.67%，Y向附加阻尼比2.57%，包絡附加阻尼比2.57%。根據《山西省工程建設標準設計圖集》（DBJT 04-39-2015，晉14G08）總說明第七.7條的要求，附加有效阻尼比應考慮消能器性能偏差，乘以調整系數0.7，即附加有效阻尼比為2.57%×0.7=1.80%。

3 結束語

本文通過建模對擬建工程的消能減震結構進行有限元分析后，得出以下結論：

（1）多遇地震情況下設置粘滯阻尼器為結構提供的附加阻尼比結果：X 向附加阻尼比5.22%，Y 向附加阻尼比4.55%，包絡附加阻尼比4.55%，乘以調整系數0.7后附加有效阻尼比為3.19%，滿足附加阻尼比3%的要求；

（2）減震結構在多遇地震作用下各層層間位移角計算結果均小于1/550，減震結構在罕遇地震作用下各層彈塑性層間位移角均小于1/50，滿足規范要求；

（3）減震結構計算得到的各層層間剪力均小于未設置粘滯阻尼器的非減震結構的層間剪力，減震效果明顯。