采用粘滯阻尼器對(duì)某幼兒園進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)

丁自想 劉紅塵 呂航（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

采用粘滯阻尼器對(duì)某幼兒園進(jìn)行消能減震設(shè)計(jì)

丁自想 劉紅塵 呂航（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

以位于8度抗震設(shè)防地區(qū)的某框架幼兒園為研究對(duì)象，采用粘滯阻尼器消能減震設(shè)計(jì)，基于ETABS有限元分析軟件，在小震和大震作用下對(duì)該框架結(jié)構(gòu)的樓層剪力、層間位移角、減震前后框架柱的配筋對(duì)比等進(jìn)行了減震前后的震動(dòng)控制效果對(duì)比分析。結(jié)果表明：增設(shè)粘滯阻尼器后，該框架幼兒園的樓層剪力和層間位移角得到有效控制，小震作用下層間位移角的減震效果達(dá)到38.57%，大震作用下粘滯阻尼器充分發(fā)揮了耗能能力，有效改善了結(jié)構(gòu)的安全性能，并達(dá)到預(yù)期抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

消能減震設(shè)計(jì)；框架結(jié)構(gòu)；粘滯阻尼器；減震效果

1 引言

消能減震是指在建筑物的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器，消耗部分地震能量，降低結(jié)構(gòu)的地震作用，達(dá)到預(yù)期設(shè)防目標(biāo)的房屋減震設(shè)計(jì)［1］。粘滯阻尼器屬于速度相關(guān)型阻尼器，能夠?qū)⒌卣疠斎胫黧w結(jié)構(gòu)的能量大量消耗掉，從而達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的。粘滯阻尼器最早在土木工程中的應(yīng)用源自美國(guó)的橋梁工程［2］，后因其具有可重復(fù)使用、不影響結(jié)構(gòu)周期和原設(shè)計(jì)、破壞后便于更換等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于土木工程中。墨西哥市長(zhǎng)大樓［3］、波士頓110大樓［4］、北京銀泰大樓［5］等著名工程采用粘滯阻尼器消能減震設(shè)計(jì)，以上工程已經(jīng)證明了阻尼器在建筑抗震中能起到很好的作用。本文基于某幼兒園框架結(jié)構(gòu)工程實(shí)例，利用ETABS軟件對(duì)其進(jìn)行了小震、大震作用下的有限元分析，研究了結(jié)構(gòu)增設(shè)粘滯阻尼器后減震結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)比分析了減震結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)樓層剪力、層間位移角等方面的減震控制效果，同時(shí)對(duì)粘滯阻尼器的耗能情況進(jìn)行了分析。

2 工程概況

3層框架幼兒園，總高度11m，建筑面積2942m2，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.2g，建筑場(chǎng)地為III類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

本工程擬采用帶粘滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)體系，一定程度上改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，使結(jié)構(gòu)在小震、大震作用下能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］（GB50011-2010）（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）的1/550和1/50限值要求，提高結(jié)構(gòu)在小震、大震作用下的安全儲(chǔ)備。

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

3 結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)方案

3.1 粘滯阻尼器布置

綜合考慮建筑使用功能、結(jié)構(gòu)抗震要求和多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，決定在結(jié)構(gòu)第二層X(jué)、Y兩個(gè)方向各布置2套粘滯阻尼器，共計(jì)4套。由于使用功能，門(mén)窗等條件的限制，本工程阻尼器擬采用單節(jié)點(diǎn)單阻尼器墻體支撐的安裝方式，粘滯阻尼器均設(shè)置在第2層的梁柱中，具體阻尼器安裝示意圖如圖2所示。阻尼器安裝位置如圖1所示（橢圓標(biāo)記）。

3.2 粘滯阻尼器的選型

本工程擬采用雙出桿型粘滯流體阻尼器。粘滯流阻尼器主要由缸體、活塞、活塞桿和粘滯流體等組成，在外界激勵(lì)下，活塞桿在缸體內(nèi)移動(dòng)，迫使受壓流體通過(guò)孔隙或縫隙，進(jìn)而產(chǎn)生阻尼力。粘滯阻尼器的阻尼力F與活塞運(yùn)動(dòng)速度v之間具有下列關(guān)系：F=Cvα，其中：C為阻尼系數(shù)，α為速度指數(shù)。粘滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量分別見(jiàn)表1。

圖2 粘滯阻尼器墻體支撐安裝示意圖

表1 結(jié)構(gòu)粘滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)與數(shù)量

3.3 地震波的選取

按抗規(guī)的要求，本工程擬采用RH3（人工波）、RH4（人工波）、ELC、KAR、TH1、TH3、TH4共七條地震波。彈性時(shí)程分析時(shí)每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均超過(guò)振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，時(shí)程分析所采用的地震動(dòng)滿足抗規(guī)要求。地震時(shí)程曲線加速度平均反應(yīng)譜與規(guī)范規(guī)定的反應(yīng)譜對(duì)比見(jiàn)圖3，由圖3可以看出，在結(jié)構(gòu)主要振型周期點(diǎn)上，地震波時(shí)程的平均影響系數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜相差不大于20%，滿足抗規(guī)要求。

圖3 規(guī)范譜與地震波譜對(duì)比圖

4 地震作用下結(jié)構(gòu)的消能減震分析

4.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的對(duì)比

所建Etabs模型減震前后前3階振型的周期見(jiàn)表2。由表2可以看出結(jié)構(gòu)減震前后周期相差不大，說(shuō)明增設(shè)粘滯阻尼器不影響結(jié)構(gòu)的周期。

表2 結(jié)構(gòu)減震前后周期對(duì)比表

4.2 結(jié)構(gòu)水平剪力計(jì)算

小震作用下，結(jié)構(gòu)減震前后7條地震波計(jì)算所得樓層剪力平均值的對(duì)比如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，增設(shè)阻尼器后，樓層剪力減小，減震后結(jié)構(gòu)X、Y向的剪力比原結(jié)構(gòu)X、Y向的剪力最大減小率分別為47.06%、45.96%。可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)中增設(shè)阻尼器后，有效提高了結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性能。

圖4 結(jié)構(gòu)樓層剪力對(duì)比

4.3 結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算

小震、大震作用下，結(jié)構(gòu)減震前后7條地震波計(jì)算所得層間位移角平均值的對(duì)比如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，小震下，原結(jié)構(gòu)彈性層間位移角平均值滿足規(guī)范限值1/550，但是部分地震波的層間位移角超過(guò)規(guī)范的限值，增設(shè)粘滯阻尼器后，Y向減震效率較大，減震后Y向結(jié)構(gòu)位移角最大減小率為38.57%，由1/546由變?yōu)?/982，可見(jiàn)，粘滯阻尼器發(fā)揮了很好的耗能能力，提高結(jié)構(gòu)的安全性能。大震下，原結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角雖在規(guī)范的限值1/50內(nèi)，但消能減震結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角也有一定程度的減小，X向減震效率較大，減震后X向的位移角最大減小率為15.45%，由1/78變?yōu)?/93，可見(jiàn)，粘滯阻尼器發(fā)揮了很好的耗能能力，提高了結(jié)構(gòu)的安全性能。

4.4 結(jié)構(gòu)框架柱的配筋計(jì)算

柱的截面尺寸為b×h=600mm×600mm，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)C40，框架柱采用對(duì)稱配筋，鋼筋等級(jí)為HRB400，縱向鋼筋的截面面積為As1，縱向受拉鋼筋的截面面積為As，縱向受力鋼筋的最小配筋率為ρmin，取0.55%，縱向受力鋼筋的最小截面面積為As，min，As，min=ρminbh=1980mm2。與阻尼器相鄰框架柱的編號(hào)如圖1所示 （黑色數(shù)字標(biāo)記）。小震作用下與粘滯阻尼器相鄰框架柱的配筋如表3所示。減震后框架柱的配筋均小于最小配筋面積，取最小配筋面積，即減震后框架柱的配筋面積為1980mm2，由表3可見(jiàn)減震后框架柱的配筋顯著降低。小震作用下1柱的P-M曲線如圖6所示。

4.5 粘滯阻尼器耗能性能分析

小震、大震作用下部分粘滯阻尼器的耗能曲線如圖7所示。由圖7可知，非線性粘滯阻尼器在小震、大震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點(diǎn)，說(shuō)明粘滯阻尼器具有優(yōu)越的耗能能力，衰減地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗震儲(chǔ)備。

圖5 結(jié)構(gòu)層間位移角對(duì)比

圖6 1柱的P-M曲線圖

表3 框架柱減震前后配筋對(duì)比

圖7 粘滯阻尼器滯回曲線

4.6 等效附加阻尼比的計(jì)算

附加阻尼比計(jì)算方法采用規(guī)范建議的能量法，采用7組地震波進(jìn)行時(shí)程分析，按《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》［7］JGJ297-2013第6.3節(jié)中公式進(jìn)行計(jì)算并取平均值，計(jì)算公式如下：

式中各參數(shù)詳見(jiàn)《建筑消能減震設(shè)計(jì)規(guī)程》6.3.2條規(guī)定。

按照式（1）算得的結(jié)構(gòu)X、Y向等效附加阻尼比分別為6.50%、9.37%。

4.7 與阻尼器連接的墻體支撐截面設(shè)計(jì)

與粘滯阻尼器連接的墻體支撐截面擬采用：墻體截面寬度b=300（mm），截面長(zhǎng)度h=1700（mm），保護(hù)層厚度as=30（mm），支撐墻體高度1200mm，混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400。

式（2）～（6）各參數(shù)詳見(jiàn)抗規(guī)相關(guān)規(guī)定。

按照式（2）～（6）算得，墻體截面的抗剪承載力Vu與阻尼器阻尼力引起的剪力Vd的比值為1.86，大于1；墻體截面抗彎承載力Mu與阻尼力引起的墻端彎矩Md的比值為1.07，大于1。故本工程擬采用與粘滯阻尼器連接的墻體支撐滿足截面抗剪承載力要求且滿足截面抗彎承載力要求。

5 結(jié)論

⑴減震結(jié)構(gòu)在小震下樓層剪力與層間位移角顯著降低，最大減小率分別為47.06%（Y方向）、32.93%（Y方向）。小震、大震作用下粘滯阻尼器的滯回曲線飽滿，粘滯阻尼器在小震、大震中都有很好的減震作用。大大增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

⑵減震后，結(jié)構(gòu)在小震下層間位移角小于1/550，大震下層間位移角小于1/50，滿足抗規(guī)要求。

⑶按以上消能減震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)增設(shè)的阻尼器可為結(jié)構(gòu)提供6%的附加阻尼比。

⑷減震后框架柱的配筋顯著降低，框架柱配筋最大減小率為42.5%，說(shuō)明阻尼器發(fā)揮了很好的減震效果?！?/p>

［1］唐家祥.建筑隔震與消能減震設(shè)計(jì)［J］.建筑科學(xué)，2002，1: 21-27+44.

［2］魏錦濤.液體粘滯阻尼器及其在土木工程中的應(yīng)用［J］.四川建筑科學(xué)研究，2006，2:124-128+135.

［3］A Rahimian，Enrique Martinez Romero.Standing Tall for the Torre Mayor Project at Mexico City［J］.Modern Steel Construction，2003，4:1-8.

［4］Robert J.Mcnamara，Douglas P Taylor.Fluid Viscous Dampers for High-Rise Building［J］.Structural Design Tall Special Building，2003，12:145-154.

［5］馬良喆，陳永祁，趙廣鵬.銀泰中心主塔樓采用液體粘滯阻尼器的減振設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，05:23-28+33.

［6］GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［7］JGJ297-2013建筑消能減震設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.