金屬阻尼器在高烈度區(qū)高層中的設(shè)計分析

陳柏宇，楊群京

（云南正元安泰建設(shè)工程設(shè)計咨詢有限公司，昆明650000)

1 引言

自2016 年12 月1 日“云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定”（《云南省人民政府令》第202 號）施行以來，減震技術(shù)作為一種有效的被動抗震手段，在云南高烈度地區(qū)得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。金屬阻尼器為位移相關(guān)型阻尼器中運用較廣泛的一種（主要為剪切型金屬器），一般小震下會屈服耗能，提供附加阻尼比，并能為主體結(jié)構(gòu)提供一定的初始附加剛度，對于剛度偏小，小震下變形較大結(jié)構(gòu)較適用。本文以昆明8 度區(qū)某高層框架-剪力墻工程為實例，介紹了金屬阻尼器減震設(shè)計并針對相關(guān)問題進行了探討。

2 工程概況及結(jié)構(gòu)選型

工程位于云南省昆明市，抗震設(shè)防烈度8 度（0.2g），設(shè)計地震分組為第三組，Ⅱ類場地，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。地上13層，地下1 層全埋地下室，建筑長156m，寬19.7m，高49.7m。建筑使用功能為醫(yī)療用房，為重點設(shè)防類建筑。結(jié)構(gòu)選型在框架、剪力墻及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中選擇了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，避免了框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度弱及剪力墻影響建筑功能使用的不利因素。結(jié)構(gòu)體系中剪力墻布置盡量利用了端部及中間的樓電梯位置，形成3 個剛度較大的筒體，增加了結(jié)構(gòu)整體剛度，減少兩端的振動不同步的扭轉(zhuǎn)作用。隔震、減震方案選擇了減震，隔震需單獨設(shè)隔震層，且建筑高度、高寬比等較大，不適合隔震。減震方案布置靈活，不影響建筑功能，經(jīng)濟性更佳。

3 減震設(shè)計流程及目標

3.1 設(shè)計流程

位移型剪切軟鋼消能器為金屬阻尼器中最為常用的一種，其阻尼力主要是由軟鋼的塑性應(yīng)變量，即塑性位移決定。本工程的減震設(shè)計流程為：初定減震目標→YJK 初步建?！_定附加阻尼比及附加剛度→確定阻尼器布置方案→建立結(jié)構(gòu)彈性模型→合理選擇地震波及模擬阻尼器→彈性時程分析（FNA 法）→復(fù)核附加阻尼比→中、大震彈塑性時程分析（直接積分法）→復(fù)核減震目標是否實現(xiàn)→消能部件設(shè)計。

3.2 目標及性能目標

進行減震設(shè)計時，首先應(yīng)確定減震的目標及性能目標。目標及性能目標應(yīng)基于GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）（下稱《抗規(guī)》）及JGJ 297—2013《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《減震規(guī)》）的要求，同時，滿足罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移之比應(yīng)小于0.75 的要求【1】。

3.3 設(shè)計原則及方案

消能器在樓層平面內(nèi)的布置應(yīng)遵循“均勻、分散、對稱、周邊”的原則。應(yīng)盡量考慮不影響建筑功能的前提下，安裝于便于檢查、維修和更換的位置。消能器一般布置在層間位移角最大位置處?；谏鲜鲆?，采用了基于墻式連接剪切型金屬抗震阻尼器的消能減震方案。阻尼器布置于地上1～10 層，共計320 組墻式連接的剪切型金屬抗震阻尼器，均勻布置在結(jié)構(gòu)的X、Y2 個主方向上。選用的阻尼器參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)平面及阻尼器布置位置如圖1 所示（框架梁間的填充部分為阻尼器）。

表1 阻尼器參數(shù)表

圖1 結(jié)構(gòu)平面及阻尼器布置圖

4 金屬阻尼器減震分析手段及結(jié)果

4.1 剪切型金屬阻尼器模擬

確定附加阻尼比及剛度前，先應(yīng)進行阻尼器的初步模擬計算。按《減震規(guī)》4.1.8 條規(guī)定，剪切型金屬阻尼器一般可采用雙線性恢復(fù)力模型。阻尼器連續(xù)屬性對話框在計算軟件（Midasgen）中模擬實施如圖2 所示。

圖2 金屬阻尼器連接屬性對話框

4.2 彈性等代剛度設(shè)計

按《抗規(guī)》12.3.3 條規(guī)定：當主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性工作階段時，可采用線性分析方法；消能減震結(jié)構(gòu)的總剛度應(yīng)為主體結(jié)構(gòu)剛度和消能部件有效剛度的總和。換算阻尼器與連接構(gòu)件的等效剛度帶入PKPM 或YJK 軟件中進行反應(yīng)譜分析，進行小震下的結(jié)構(gòu)整體指標及承載力分析，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計配筋。阻尼器、連接構(gòu)件及主結(jié)構(gòu)的剛度分別為Kd、Kb及Kf，阻尼器與連接構(gòu)件為剛度串聯(lián)，再與主結(jié)構(gòu)剛度并聯(lián)，即消能部件剛度

4.3 彈性時程分析（FNA）及彈塑性時程分析（直接積分法）

按《抗規(guī)》12.3.3 條規(guī)定：對主體結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，應(yīng)根據(jù)主體結(jié)構(gòu)體系特征，采取靜力非線性分析方法或非線性時程分析方法。本工程金屬阻尼器在小震屈服呈非線性，設(shè)計采用彈性及彈塑性時程分析，模擬阻尼器及主體構(gòu)件非線性狀態(tài)。時程分析可按《抗規(guī)》5.1.2 條合理地選擇地震波，滿足一定的統(tǒng)計要求，一般選小震下彈性時程分析地震響應(yīng)最大的3 條地震波進行大震彈塑性時程分析。小震下時程分析可用FNA 方法，此方法適用于含有有限數(shù)量的非線性單元但結(jié)構(gòu)主體保持彈性的時程分析。大震下，部分主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件及阻尼器均會屈服，此時應(yīng)采用直接積分法，其難點在于合理地選擇地震波及建立數(shù)值模型。地震波的選擇應(yīng)滿足《抗規(guī)》5.1.2 條要求，數(shù)值模型以Midasgen 為例簡述如下：（1）需要建立恢復(fù)力模型的骨架曲線，一般設(shè)框架梁的塑性鉸采用My、Mz方向的彎曲-轉(zhuǎn)角型塑性鉸，當構(gòu)件軸力影響不可忽略時，如墻、柱構(gòu)件，可以勾選考慮軸力-彎矩（P-M）相關(guān)，此種基于截面的模型較基于材料的纖維模型相比，其計算速度快，且試驗證明截面模型能更好地擬合鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)行為；（2）應(yīng)定義恢復(fù)力模型的滯回規(guī)則，本工程采用武田模型，其能較為精確地模擬鋼筋混凝土構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的彈塑性力學(xué)行為；（3）恢復(fù)力模型的骨架曲線及滯回規(guī)則可綜合形成一個完備的恢復(fù)力滯回數(shù)值模型。

4.4 減震分析結(jié)果

本工程按上述減震設(shè)計流程及分析手段進行了彈性及彈塑性分析，其結(jié)果為：（1）小震地震作用下，結(jié)構(gòu)主體處于彈性狀態(tài)，金屬阻尼器在小震下貢獻結(jié)構(gòu)附加阻尼（附加阻尼比為1.5%）和剛度，且屈服耗能，提高了主體安全儲備；（2）罕遇地震作用下連梁、框架梁優(yōu)先出鉸，而后極少數(shù)的框架柱、剪力墻出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)總體滿足“強柱弱梁”等抗震概念；（3）罕遇地震作用下，X向的層間位移角：減震結(jié)構(gòu)為1/208，非減震結(jié)構(gòu)為1/153，減震/非減震=0.735；Y向的層間位移角：減震結(jié)構(gòu)為1/191，非減震結(jié)構(gòu)為1/141，減震/非減震=0.738，滿足“罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移比小于0.75【2】”要求；（4）在大震彈塑性時程分析中，阻尼器形成飽滿的滯回曲線，且最大受力、位移均未達到極限承載力和位移，詳見表1，附設(shè)了金屬阻尼器后，形成了良好的抗震耗能機制，提高了結(jié)構(gòu)主體安全性。

5 金屬阻尼器設(shè)計相關(guān)問題探討

5.1 金屬阻尼器連接屬性參數(shù)設(shè)置

金屬阻尼器連接屬性對話框一般如圖2 所示，簡要介紹如下：（1）線性特征值。如圖2 應(yīng)分別填入線性有效剛度及阻尼，對于金屬阻尼器小震下屈服，有效剛度應(yīng)填入阻尼器屈服后的割線剛度；有效阻尼與非線性時程分析無關(guān)，此值可默認零值。（2）非線性特征值。如圖2 應(yīng)填入6 個選項值，多數(shù)軟件只用填入前4 項，后2 項在Midasgen 中可用默認值0.5。非線性剛度為：阻尼器的屈服剛度=屈服力/屈服位移，和產(chǎn)品參數(shù)直接相關(guān)；屈服強度為阻尼器屈服力，與雙線性模型拐點處的力一致；屈服后剛度比為屈服后剛度與初始剛度的比值，金屬阻尼器一般為0.02；屈服指數(shù)表征構(gòu)件由屈服前剛度過渡到屈服后剛度的平滑處理程度，建議取值20～30，過大或過小均會造成阻尼器模擬失真。

5.2 金屬阻尼器的延性系數(shù)

眾所周知，延性系數(shù)越大，結(jié)構(gòu)在強震作用下可以承受大的塑性變形而不破壞倒塌的能力越強。延性系數(shù)對阻尼器耗能能力、減震效率（位移、剪力降低率）影響明顯，地震反應(yīng)降低率Rd、Ra表示成附加體系剛度比Ka/Kf及系統(tǒng)最大延性系數(shù)μ 2 個基本參數(shù)的連續(xù)函數(shù)，詳見圖3【3】。從圖3 可推斷，系統(tǒng)延性系數(shù)μ 在一定范圍內(nèi)增大，系統(tǒng)的位移、剪力降低率均增大。XJJ 075—2016《建筑消能減震應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，金屬屈服型消能器位移達到其設(shè)計位移，計算延性系數(shù)宜不小于6【4】。根據(jù)筆者接觸過的產(chǎn)品，建議控制剪切型金屬阻尼器設(shè)計延性系數(shù)為10～30。

圖3 金屬阻尼器系統(tǒng)減震性能曲線

6 結(jié)語

本文通過一高烈度區(qū)減震工程實例，分析探討了金屬阻尼器設(shè)計的相關(guān)問題，并給出建議性結(jié)論。減震技術(shù)在高烈度地區(qū)具有良好的運用前景，本工程設(shè)置金屬阻尼器增加了結(jié)構(gòu)剛度并形成了良好的抗震耗能機制，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安全、合理、經(jīng)濟的目標。減震設(shè)計相關(guān)問題可供類似高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。