粘滯阻尼器在框架結構減震設計中的運用

李祖瑋+潘文+陳曉彬+蘭香

摘要：本文主要針對粘滯阻尼器在框架結構中的應用作了具體深入的研究，分析了安裝消能裝置結構在常遇地震和罕遇地震作用下層間剪力和層間位移的變化規律，利用有限元軟件SAP2000對比分析了無控結構和消能減震結構的地震反應，得到阻尼器對結構動力性能的影響，從而說明安裝粘滯阻尼器的消能減震結構的抗震優越性及應用前景。

Abstract： This paper mainly studies the application of viscous damper in the frame structure， analyzes the variation law of interlaminar shear and interlaminar displacement under the function of frequent and unusual earthquake. The seismic response of the uncontrolled structure and energy dissipation structure is analyzed by the finite element software SAP2000 and the effect of damper on dynamic performance of structure is obtained to illustrate the seismic performance and application prospect of the energy dissipation structure of viscous dampers.

關鍵詞：框架結構；粘滯阻尼器；消能

Key words： frame structure；viscous damper；eenergy dissipation

中圖分類號：TU352.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0143-03

0 引言

消能技術的發展使得結構抗震可利用阻尼器的耗能達到抗震的目的，并可以根據性能需求來對結構進行設計[1]。

粘滯阻尼器是一種無剛度，速度相關型阻尼器，構造簡單，材料經濟，減震效果好，逐漸被廣泛應用到土木工程結構抗震領域[2]。粘滯阻尼器具有大量消耗地震輸入能量，有效減小地震動力響應，降低樓層層間位移的能力[3]。該裝置雖然可以提高結構的安全性能，但現有的粘滯阻尼器在構造設計和布置位置上仍存在一些不足。本文將其運用于某工程的減震控制，表明了粘滯阻尼器的耗能減震效果。

1 工程概況

本工程為曲靖市某小學的教學樓，工程結構為5層，地下室一層，建筑高度為19.5m，總建筑面積為9654.28m2。結構體系為框架結構。本工程抗震設防烈度為8度，設計基本加速度為0.2g，地震分組為第三組，場地類別為Ⅲ類。根據云南省建設工程抗震設防管理的有關規定，本工程適宜采用減震技術，通過設置消能裝置來提高結構的抗震安全性。

2 阻尼器參數及布置位置

2.1 附加有效阻尼比的計算

①根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[4]（以下簡稱《抗規》）的第12.3.4條：消能部件附加給結構的有效阻尼比，可按下列方法確定。

②消能部件附加給結構的有效阻尼比可按下式估算：

2.2 阻尼器布置原則及合理位置

阻尼器在同一樓層的布置中，應遵循的原則是：均勻、分散、對稱，并且阻尼器之間的有效間距不宜過大，建議不要超過60m[5]。在豎向布置中應遵循連續布置的原則，豎向連續有助于提高結構的設計效率和安全性。

根據該結構的結構布置和建筑使用功能，在該結構中布置27個粘滯阻尼器，阻尼器數量見表1，布置位置見圖2，圈起的部位為阻尼器的布置位置。粘滯阻尼器非線性力-變形關系[6]為：

式（2）中：C為阻尼系數，根據設計需求選??；α為阻尼指數，根據設計需求選??；V為結構的速度。

3 結構抗震性能分析

3.1 結構的減震目標

根據抗規和《高層建筑混凝土結構技術教程》（JGJ3—2010）[7]（簡稱高規）的相關規定來確定本結構在多遇和罕遇地震作用下的減震目標（表2）以及與黏滯流體阻尼器相連構件和節點的性能目標（表3）。

3.2 地震波的確定

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）5.1.2條和《高層建筑混凝土結構技術教程》4.3.3條中的相關規定，并且充分考慮地震動的三個要素：振幅、頻譜特性、持時[8]，選取了實際5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程曲線。其中兩條加速時程曲線如圖2。

3.3 彈性時程分析

使用軟件ETABS建立減震與非減震結構模型進行彈性時程分析，并且對比兩種結構在地震作用下的響應。在ETABS中，使用連接單元Damper模擬粘滯阻尼器[9]。圖3為小震下減震與非減震結構的層間位移角曲線（由于篇幅有限這里只給出X向的結果），最大層間剪力比和樓層位移對比見表4、表5。

從圖3可以看出，采用消能裝置能夠很大程度上彌補設計不足，增強結構的抗震性能，使得結構處于安全狀態。

3.4 減震結構彈塑性時程分析

基于大震彈塑性時程分析的結構抗震設計可以成為一種主動設計手段，能進一步完善我國現有的抗震設計方法，逐漸在結構抗震領域中使用[10]。

本工程使用軟件SAP2000進行減震結構的彈塑性時程分析。在SAP2000中。使用連接單元Damper模擬粘滯阻尼器，框架梁、柱均定義塑性鉸[11]。彈塑性時程分析過程中，在彈性時程分析的基礎上選擇三條地震波進行計算分析。根據規范及場地要求對所選地震波調動幅值。單向地震作用下，地震波分別沿X向、Y向輸入，三條波的計算結果見表5。

根據抗規，為了使結構在地震作用下具有合理的耗能機制，允許結構在大震作用下部分構件進入塑性，結構耗能與結構出鉸情況及出鉸順序有關。100號地震波在X向單向輸入時結構的出鉸順序見圖4。

4 結論

①采用粘滯阻尼器的減震結構較非減震結構其抗震性能得到了明顯提高。

②罕遇地震作用下構件開始進入塑性，粘滯阻尼器通過阻尼耗能，使得結構層間位移，層剪力都得到有效控制，但是沒有多遇地震作用下的減震效果明顯。

③通過在建筑結構中采用消能技術加固后，由粘滯阻尼器提供附加阻尼比來消耗輸入結構的地震能量，有效的降低結構的地震響應，從而達到良好的減震效果。

參考文獻：

[1]程選生，賈傳勝，杜修力.消能減震技術在結構抗震加固改造中的應用[J].土木工程學報，2012（S1）：253-257.

[2]周云，尹慶利，林紹明.帶黏滯阻尼器腋撐鋼筋混凝土框架結構抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2011（11）：64-73.

[3]張敏，汪大洋，耿鵬飛.黏滯阻尼器在實際工程中的應用研究[J].土木工程學報，2013（S1）：45-50.

[4]GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]郭瑜.耗能減震結構耗能裝置的優化設置研究[D].西安建筑科技大學，2009.

[6]社團法人日本隔振結構協會.被動減震結構設計·施工手冊[M].蔣通，譯.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[7]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[8]曹資，薛素鐸，王雪生，劉迎春.空間結構抗震分析中的地震波選取與阻尼比取值[J].空間結構，2008，03：3-8.

[9]北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.ETABS中文使用指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[10]婁宇，溫凌燕，徐小燕，王慶揚，王傳甲，陳志強，彪仿俊.基于大震彈塑性時程分析的結構抗震設計[J].建筑結構，2011，05：1-8.

[11]北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標設計研究院.SAP2000中文使用指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.