黏弹性阻尼器在某框架结构减震中的研究

谭小蓉

西安铁路职业技术学院（710600）

黏弹性阻尼器在某框架结构减震中的研究

谭小蓉

西安铁路职业技术学院（710600）

以某框架结构为例，采用黏弹性阻尼器对结构进行抗震加固，通过有限元对该工程进行地震反应分析，对抗震能力不足之处采取加固措施。分析表明，采用黏弹性阻尼器加固能有效降低结构的地震反应，有很好的经济效益和社会效益，在建筑物的抗震加固中将会有广阔的前景。

黏弹性阻尼器；地震反应；抗震加固

0 引言

中国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带活动频繁。地震灾害的频繁发生对我国的经济发展与人民生命安全造成了巨大的威胁。减少地震灾害对建筑结构的影响是减少地震伤亡人数及经济损失的直接办法,科研人员通过长期对结构震动控制的研究，使结构震动控制的方法不断发展，其成果也逐渐被应用到工程实际中去，并取得了良好的效果。

1 耗能减震原理与耗能减震器的分类

传统的抗震结构体系容许结构及承重构件（梁、柱、节点等）在地震中出现损坏，其损坏过程是耗散能量的过程，而结构及构件的严重损坏或倒塌就是地震能量转换或消耗的最终完成。结构的耗能减震技术是在结构物的某些部位（如支撑、剪力墙、节点、连接件、楼层空间、主附结构间等）设置耗能装置，通过耗能装置产生摩擦、弯曲弹塑性滞回变形来耗散或吸收地震输入结构中的能量，从而减小主体结构的地震反应。耗能减震装置可以依据不同的材料、不同的耗能机理和不同的构造来制造。耗能减震器的品种有很多种，按耗能减震器与位移和速度相关性可分为位移相关型耗能减震器、速度相关型耗能减震器和位移与速度相关型耗能减震器；按制造耗能减震器所用的材料可分为金属耗能器、黏弹性阻尼器和黏滞阻尼器；按耗能减震器的耗能机理可分为摩擦型耗能器、弹塑性耗能器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器和电（磁）感应式耗能器。

2 工程概况

西安某宾馆建于20世纪80年代，经过长时间使用及“5.12”汶川大地震后，该建筑物出现了不同程度的损伤。经计算，该建筑物已不能满足现在的抗震设防要求，故建设单位对其进行抗震改造及加固。该建筑物主体结构为7层钢筋混凝土框架结构房屋，一层层高5.7 m，二层至五层层高2.8 m，六层层高3.0 m，七层层高3.9 m，总建筑面积约为3 600 m2。根据对现场进行详细检测，对该建筑物采用PKPM进行结构验算。结果表明，该建筑物的层间位移角为1/445，不能满足国家标准《建筑抗震设计规范》中对其的要求限值。现采用黏弹性阻尼器消能减震控制方法对该楼进行减震控制，使其结构满足抗震规范要求。

3 减震方案

3.1 阻尼器选型

黏弹性阻尼器性能可靠、构造简单、制作方便、造价低廉，不用改变结构的形式，也不需要外部能源输入提供控制力，并能给结构提供刚度和较大的阻尼，其滞回曲线近似于椭圆形，耗能能力强，能有效地减小建筑物风振及地震反应，具有广泛的工程适用性。黏弹性阻尼器既可用于新建工程中，又可用于震损结构和旧建筑物的加固及修复工程中。因此本工程采用黏弹性阻尼器。

3.2 阻尼器布置方案的确定

黏弹性阻尼器是由高耗能黏弹性材料和约束钢板组成，钢板和黏弹性材料通过硫化的方法黏结在一起。在地震激励作用下，阻尼器产生位移，阻尼器中的黏弹性材料因变形而耗散大量能量，从而达到减小结构振动的目的。本工程所采用的黏弹性阻尼器如图1所示，布置形式是在交叉斜撑上设置黏弹性阻尼器，如图2所示。

本工程在尽量不影响建筑正常功能使用的前提下,沿结构的边沿的柱间设置黏弹性阻尼器，阻尼器的参数根据当地的年平均气温和结构的动力特性运用自编的优化程序确定，以更好地符合结构的受力特性。阻尼器的数量、位置通过多轮时程分析进行优化调整后确定,结构中阻尼器的布置位置为：一层的A轴-（1-3，14-16）跨间，B轴-（1-3）跨间，B轴-（14-16）跨间，B轴-（3-5）跨间，C轴-（1-3）跨间，C轴-（10-12）跨间，C轴-（4-6）跨间，3轴-（A-C）跨间，4、13轴-（A-C）跨间，5轴-（A-C）跨间，14轴-（A-C）跨间，6轴-（A-C）跨间，8、10轴-（A-C）跨间，12轴-（A-C）跨间。

图1 黏弹性阻尼器详图

图2 黏弹性阻尼器布置形式

3.3 结构的减震分析

地震波选用El-Centro波，加速度峰值调整为0.07 g，步长0.02 s，持时30 s。采用SAP2000软件对结构分析，框架结构模型如图3所示。

图3 框架结构模型图

1）模态分析结果

表1 未加阻尼和加阻尼时模态周期和频率对比表

从振型的周期横向对比中可知，布置黏弹性阻尼器后，结构的周期减小，频率增大，说明设置黏弹性阻尼器后，结构的刚度有所增加，结构的动力性能有所改变。

2）层间位移角分析

加入黏弹性阻尼器后结构X、Y方向的层间位移角得到了很好的控制，特别是黏弹性阻尼器使得结构的层间位移角减小到了规范允许的范围内，使其满足了抗震规范的要求，保证了结构在多次地震下的变形要求。其具体的层间位移及层间位移角对比数如图4～5所示。

图4 结构X方向激励下X方向层间位移对比图

图5 结构Y方向激励下Y方向层间位移对比图

表2 结构X方向激励下层间位移角对比表

表3 结构Y方向激励下层间位移角对比表

根据以上对该建筑物X、Y方向的计算结果，黏弹性阻尼器对于该建筑物的减震效果在8%～35%（各层均不相同），较好地起到了控制作用。通过在结构上设置黏弹性阻尼器后，结构的地震响应明显减小，结构的层间位移角减小到了规范允许的范围内，这在保护框架结构安全，降低工程造价等方面均能够起到重要的意义。

5 结语

通过对西安某宾馆采用黏弹性阻尼器进行减震加固的研究，经分析得出以下结论：

1）施工现场无湿作业，基本不影响原建筑的正常使用功能。

2）黏弹性阻尼器造价低廉，同时具有刚度和阻尼，具有安全可靠、安装维修方便快捷、减震效果良好等优点，是本工程减震方案较为理想的选择。

3）对该结构采用EL-Centro波进行了减震分析,表明由于黏弹性阻尼器同时具有阻尼耗能和调整结构刚度的特性使得整体结构的动力特性发生了明显的改变，调整了结构的整体刚度，结构的抗震性能得到明显改善，层间位移角减小到了规范允许的范围内。

4）采用黏弹性阻尼器的方案可以缩短工期，能在该建筑物抗震加固过程中进行实际应用，对其他工程实例也有一定的指导意义。

[1]刘军生.粘弹性阻尼器在钢筋混凝土框架结构中的应用研究[D].西安：西安建筑科技大学,2010.

[2]周云.金属耗能减震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社,2006.

[3]邓涛.粘弹性阻尼器减震性能研究与优化分析[D].湖南大学硕士论文,2005.

[4]Keel C.J.and Mahmoodi P Designing of Viscoelastic Dampers for Columbia Center Building.