黏滯阻尼器在辦公樓抗震加固改造中的應用

周書敬+劉帥楊

摘要： 消能減震技術在實際工程中應用越來越廣泛，該文闡述了消能減震加固技術的耗能機理，詳細介紹了黏滯阻尼器的計算模型，并推導出阻尼結構在抗震加固中的計算方法。結合某辦公樓采用黏滯阻尼器進行加固設計，首先采用PKPM對原結構進行抗震分析，其次用SAP2000對增設阻尼器的結構進行時程分析，對比分析結構加固前后的性能指標。結果表明：采用黏滯阻尼器加固后，可以有效減小結構動力響應，使結構的性能指標滿足規范要求。

Abstract： Energy dissipation technology is more and more widely used in practical engineering， in this paper， the concept and mechanism of energy dissipation reinforcement technology are expounded. The calculation model of viscous dampers is introduced in detail， and the calculation method in seismic strengthening of damping structure is dervived. Combined with a certain office building that reinforcement design with viscous dampers， the anti-seismic calculation of the original structure is carried out by PKPM， followed by using SAP2000 to add damper structure time history analysis， the performance indexes of structure before and after reinforcement are compared. The results show that the dynamic response of the structure can be effectively reduced by the viscous damper， and the performance indexes of the structure can reach the requirements of the code.

關鍵詞： 消能減震；抗震加固；黏滯阻尼器；時程分析；性能指標

Key words： energy dissipation；seismic strengthening；viscous damper；time-history analysis；performance indexes

中圖分類號：TU352.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0137-03

0 引言

對既有建筑加固改造是解決早期建設不滿足現有抗震規范建筑的新途徑。傳統的抗震加固方法不能滿足人們的需求和結構抗震性能設計的要求，而采用消能減震裝置，可以解決這一問題。通過在原結構上安消能裝置來消耗輸入結構的地震能量并迅速降低結構地震響應從而使主體結構免受破壞[1]。

我國消能減震加固技術的應用較晚，國內2001年發布的《建筑抗震設計規范》首次將耗能減震技術寫入規范。2008年汶川地震后消能減震加固發展迅速普及[2]。文章通過對某辦公樓采用黏滯阻尼器進行加固設計，分析增設黏滯阻尼器后結構的抗震性能，并得出結論。

1 消能減震技術概念及耗能原理

關于消能減震結構的耗能原理從能量角度分析[3]以單自由度體系的能量平衡方程為例。

EK+ED+EE+EP+EH=EEO（1）

式中，EK系統動能；ED系統阻尼耗能；EE彈性變形能；EP塑性變形能；EH滯回耗能；EEQ地震輸入總能量。

而對于消能減震技術就是通過布置消能裝置增加耗能能力，用公式表達如下：ED+EP+EH+ES=EEO（2）

ES為消能減震裝置耗能，即等式左邊耗能能力大于右邊地震輸入能量，從而使結構可以有效抵抗地震作用。

2 黏滯阻尼器的研究及理論分析

2.1 黏滯阻尼器的基本概述

黏滯流體阻尼器（圖1），是利用高黏性液體運動產生阻尼來耗能的一種被動速度相關型阻尼器。

起初這種阻尼器主要用于軍事工業和航天工業等領域，后來才在土木工程領域被商業化應用[5]。已有很多工程采用了黏滯流體阻尼器，包括：高層建筑、橋梁、體育館、火車站等。

2.2 增設阻尼器結構的時程分析計算

主體結構在彈性階段時，增設阻尼器后，一般采用振型分解反應譜法進行抗震分析。但安裝非線性阻尼器后，一般直接采用時程分析法進行分析。為了更準確反映地震作用下結構的動力特性，減小結果誤差，采用非線性時程分析法[6]（Fast Nonlinear Analysis Method簡稱FNA），這種方法主要針對阻尼器為非線性，而主體結構還處于彈性階段情況。

3 黏滯阻尼器加固辦公樓的實例分析

3.1 工程概況

該工程建于1997年，4層鋼筋混凝土框架結構，平面呈一字形，東西方向總長64.8m，南北方向總寬17.4m，底層層高5.5m，中間層層高3.6m，頂層高3.2m，主要功能為辦公和住宿?？拐鹪O防烈度6度，混凝土強度等級為C30。由于使用功能由辦公樓變為辦公和住宿，故需要對原結構重新布局，同時不能影響其它辦公區正常使用，且工期較緊，由此考慮采用消能減震技術對結構加固。整個結構平面布置規則但豎向出現剛度突變。建筑平面圖如圖2所示。endprint

3.2 原結構地震反應分析

3.2.1 原結構進行抗震分析，動力特性如下：

UX、UY、RZ分別為X側振成份、Y側振成份、扭振成份。由表1知結構前兩階振型為Y、X向平動，第三階振型為扭轉，周期分別是1.08s、1.05s、0.95s。

3.2.2 樓層剪力信息

通過以上分析，原結構在6度多遇地震情況下，框架柱配筋滿足抗震要求，但底層Y向部分配筋不滿足要求，箍筋也不滿足，且在Y向底層結構受剪承載力比值小于給定限制，即為薄弱層，但梁配筋基本滿足要求。表3得出Y向地震工況下的信息。

由表3知結構的最大層間位移角滿足規范中框架結構在多遇地震作用下彈性層間位移角小于1/550的規定，但由于該工程是按89年抗震規范設計，改造加固按2016年局部修訂的《建筑抗震設計規范》[7]GB 50011-2010進行，抗震設防烈度為7度。綜上分析需對原結構進行加固。

4 消能減震結構計算分析

4.1 黏滯流體消能器的選取與布置

SAP2000抗震分析采用Nlink單元的Damper模擬非線性黏滯流體阻尼器。通過多次試算最后得出該結構選用的阻尼器速度指數？琢=0.2，阻尼器系數Ca=1000kN·s/m，最大行程±100mm，最大阻尼輸出力200kN。

關于阻尼器的布置本例中采用以層間位移為控制函數。通過對原結構在地震作用下的變形分析，找出層間位移最大的樓層，在該層安裝粘滯阻尼器。依次推算然后修改結構的剛度和阻尼矩陣，再次進行計算分析，直到最大層間位移滿足規范要求為止。故初步設計在1～2層各增設4各阻尼器為人字形支撐，在3層最外一榀框架布置兩個阻尼器，共11個阻尼器。具體模型如圖4。

4.2 地震波選取

選取具有代表性的EL Centro波（峰值為341.7cm/s2），而我國規范中7度區多遇地震加速度峰值為35Gal，則調幅后的時程曲線如圖5。

4.3 Y向El Centro波多遇地震下時程分析減震結果

最大層間位移角對比（圖6）。

層間剪力對比（圖7）。

通過圖6、圖7對比知結構各層Y向減震后的層間位移角和層間剪力都有一定減小，Y向最大位移減震率為42%，大幅度提高結構的抗震性能，減震效果明顯?？傊鲈O黏滯阻尼器后結構的性能得到改善，各項性能指標滿足規范要求。

5 結論

①通過對實際工程案例分析，得出結構增設黏滯阻尼器可以提高抗震性能，大幅度減小位移及層間位移角。②根據消能減震結構的動力平衡方程推導出運用FNA法進行非線性時程分析的計算式，得出該方法是一種快速有效的時程分析方法。③對于年代久遠的建筑想通過加固改造繼續使用的話，可以考慮運用消能減震技術進行加固，具有減震效果明顯、施工范圍小、無濕作業、不影響其他正常使用等優點。

參考文獻：

[1]高燕青，張春生，丁亞紅.鋼筋混凝土結構體系抗震加固技術綜述[J].混凝土，2015，11（35）：129-133.

[2]佟建國，韓家軍，任思澤.消能減震加固技術應用[J].四川建筑科學研究，2009，35（6）：188-194.

[3]周云.耗能減震加固技術與設計方法[M].北京：科學出版社，2006.

[4]張晶.液體粘滯阻尼器在加固改造工程中的應用[J].工程抗震與加固改造，2008，30（1）：40-42.

[5]Douglas P. Taylor. Testing Procedures for High Output Fluid Viscous Dampers Used in Building and Bridge Structures to Dissipate Seismic Energy. Shock & Vibration， 1995，2 （5）：373-381.

[6]EL Wilson.There Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structure.Computers and Structures，Inc.2002.

[7]GB5011-2010，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.endprint