某中学报告厅减震分析与应用

罗 智 刚

(山西省建筑设计研究院，山西 太原　030013)



某中学报告厅减震分析与应用

介绍了粘滞阻尼器的工作原理，以某中学报告厅为例，阐述了阻尼器在结构设计中的布置原则与方案，并采用ETABS，对设置阻尼器前后的结构进行了多遇及罕遇地震下的反应谱分析与时程分析，结果表明：报告厅等该类建筑结构采用粘滞阻尼器后，提高了结构的抗震性能。

建筑结构，粘滞阻尼器，减震设计，报告厅

0　引言

减震技术作为建筑结构减轻地震灾害的新技术具有传统抗震结构体系“延性结构体系”难以比拟的优越性。近年来，随着建筑工程减震技术研究不断深入，使抗震结构设计更趋经济合理。在一些高烈度地区的工程应用也经受住了实际地震的考验，产生了良好的社会效益(2008年的汶川地震，应用了减震技术的建筑就证明了这一点)。在高烈度地区的学校、医疗建筑中已要求强制使用减震技术[1，2]。粘滞阻尼器可以产生较大的弹塑性变形及阻尼，吸收了地震传来的大部分能量，使建筑主体结构避免出现过大的变形，一定程度上减少了建筑结构主体的破坏，从而达到预定的性能。

1　粘滞阻尼器的分析方法

1.1粘滞阻尼器的工作原理[3，4]

建筑结构减震是指在结构某些部位通过安装减震装置以改变结构刚度和消耗地震能量，从而减小结构的位移和损伤。本次报告厅减震设计中用到的是筒式粘滞阻尼器，本文仅对筒式粘滞阻尼器的特性做一简单介绍。筒式粘滞阻尼器中液体(比如硅凝胶体等)具有高粘滞性、高浓度性，当地震发生时，由于地震作用使得粘滞阻尼器的内部构件(即活塞)产生相对运动，又由于活塞处于这些粘滞液体中，带动液体的运动，从而导致活塞前后产生压力差，使阻尼器内部液体流过活塞上的阻尼孔产生阻尼力，可以有效吸收地震产生的能量，以达到减轻结构动力响应的目的。

1.2粘滞阻尼器的出力分析

1)在建筑物主体结构的特定部位设置粘滞阻尼器后，这些阻尼器与原结构组成了一个新的抗震结构体系。在多遇地震情况下，设置粘滞阻尼器的结构体系发生较小的弹性变形，在地震发生后，结构自身就可以恢复这种变形，这类地震不会对结构造成损伤，建筑的使用年限也不会受到影响。在罕遇地震情况下，设置了粘滞阻尼器的新抗震结构体系自身的弹性变形不足以抵抗地震作用，此时粘滞阻尼器负担绝大部分地震传来的能量，产生了较大的弹塑性变形，避免了主体结构出现过大的变形，从而减少了主体结构的破坏。地震发生后，建筑仍可以正常使用，避免了人、财等一系列损失。

2)粘滞阻尼器的出力计算。粘滞阻尼器是属于速度相关型阻尼器的一种，其力—速度的关系一般可表示为：

F=CVm。

其中，F为阻尼器的出力；C为阻尼器的阻尼系数；V为阻尼器两端的相对速度；m为阻尼器的阻尼指数。

2　结构消能减震设计

2.1工程概况

此报告厅为中学学生用房，属重点设防类，根据有关要求[2]，采用消能减震设计来进一步提高建筑物的可靠性和安全性。图1为报告厅平面示意图。结构形式为框架结构，地上3层，底层层高为6.4 m，二层层高为5.7 m，三层层高7.8 m，屋面为钢网架及钢骨架轻型屋面板。结构总高度20.350 m，室内外高差0.450 m。混凝土强度等级梁板柱均为C30，主要框架梁截面为350×700(800)，框架柱界面主要为700×700，少量为600×600，楼板除看台部分为120 mm厚外，其余均为100 mm厚。受力钢筋均采用三级钢筋。场地类别Ⅲ类，基本风压为0.40 kN/m2(按50年一遇)。地面粗糙度为B类。抗震设防烈度为8度(0.20g)；设计地震分组为第一组。

2.2房屋的基本信息分析

为得到此报告厅主体结构的可靠的基本信息，分别采用PKPM分析软件(V2.2版)和ETABS分析软件对主体结构进行了建模，并对两种模型的计算结果数据进行了综合分析，对比结果如下。如表1所示为8度(0.2g)小震作用下PKPM模型计算的原结构信息，表2为PKPM模型的周期信息。

表1　8度(0.2g)小震作用下原结构PKPM模型信息

表2　原结构PKPM模型的周期信息

2.3ETABS模型分析

结合PKPM模型信息，建立主体结构的ETABS模型。同时，为验证ETABS模型的准确性，将ETABS模型与SATWE模型计算得到各种结果参数进行对比分析，如表3～表5所示，表中误差的算法为：误差=(|SATWE-ETABS|/SATWE)×100%。

表3　原结构模型质量对比

表4　原结构模型周期对比

表5　原结构模型楼层剪力对比

综合上述，从两种模型的结果数据看出，结构的基本信息相差较小，无论是质量、周期还是地震剪力，ETABS模型所得到的数据都可以作为减震分析的模型来进行分析，且能真实、准确地反映结构的基本特性。

2.4地震波的选取

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范5.1.2条规定，本工程实际选取了5条强震记录和2条人工模拟加速度时程。7条时程波的平均反应谱的计算结果见图2。

由图2可知，各时程平均反应谱与规范反应谱较为接近(结构基本周期处)。

3　减震装置的设计与布置

3.1阻尼器的设计布置原则

1)本工程为减震建筑，要求为在多遇地震下建筑主体结构仍保持弹性，在罕遇地震下，粘滞阻尼器系统仍可以正常工作。

2)本工程减震设计过程中，将水平向地震力和位移控制作为选择阻尼器数目及布置的主要参数，并经多次试算，将阻尼器配置在主体结构的特定位置。

3)为了提高阻尼器的减震效果，在条件允许的情况下，尽可能增加阻尼器两端的相对位移，并将阻尼器布置在结构层间相对位移较大的楼层。

4)在进行阻尼器的连接板和相关的梁柱节点设计时，将各阻尼器的出力值的1.2倍作为外荷载来计算，并对相邻梁柱进行验算，适当采取一些加强措施。

5)对设置了粘滞阻尼器的主体结构在不同地震下进行弹塑性整体分析。

6)粘滞阻尼器的布置应考虑施工的可行性，满足建筑使用功能及外部造型上的要求，并根据建筑结构的特点尽可能地对称布置。为了不影响阻尼器的耐久性，在不影响其他功能的条件下，可采用低强度的防火材料轻质隔板把阻尼器包裹起来。

3.2阻尼器的布置方案

在减震设计中，为了避免阻尼器的主体结构层间刚度突变，产生新的薄弱层，决定将粘滞阻尼器逐层安装在主体结构上，1层～3层共安装18个粘滞阻尼器(型号吨位一致)。将原PKPM模型的各层地震剪力和位移角为依据，本工程实际所选用的阻尼器规格和数量详见表6。粘滞阻尼器及支撑的平面布置位置如图3所示。

表6　附加粘滞阻尼器的布置方案及设计参数

4　结语

使用ETABS对设置阻尼器前后两个模型各自在多遇地震作用下进行反应谱分析和在罕遇地震作用下进行时程分析，通过对计算结果各参数的对比分析，结果表明报告厅等此类建筑物结构采用粘滞阻尼器后，消能减震设计取得了良好的效果，主要体现在以下几个方面：

1)在结构1层～第3层共设置粘滞阻尼器18个，通过7条时程波的计算分析，得出多遇地震作用下阻尼器所提供的等效附加阻尼比为X向11.60%和Y向18.56%。

2)原结构在8度多遇地震时，时程分析平均值在X，Y向的最大层位移角分别是1/421，1/359。设置粘滞阻尼器的消能减震结构在8度多遇地震时X，Y向的最大层间位移角则分别降低到1/958，1/1 086。

3)结构中所附加的粘滞性阻尼器在罕遇地震作用下的出力最大为313 kN，对应的最大位移为74.62 mm。

4)在多遇地震情况下，设置了粘滞阻尼器的主体框架结构X，Y向层间剪力比原结构的层间剪力均大幅度减小，比值分别是0.26和0.31。这说明进行减震设计后的结构体系抗震性能大大提高。

5)在多遇、罕遇地震作用下，设置了粘滞阻尼器的建筑结构，很好地改善了原结构薄弱部位的抗震性能。在罕遇地震作用下，“强柱弱梁”的设计理念得到了明显的体现。对于报告厅此类空旷结构，更有利于实现“大震不倒”的设防目标。

[1]建质[2014]25号，住房和城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见(暂行)[S].

[2]晋建质字[2014]115号，山西省住房和城乡建设厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知[S].

[3]罗军峰.粘滞阻尼器在结构抗震中的应用与研究[D].成都：西南交通大学研究生学位论文，2008.

[4]潘鹏，叶列平，钱稼茹，等.建筑结构消能减震设计与案例[M].北京：清华大学出版社,2014.

The damping analysis and application of a high school auditorium

Luo Zhigang

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the working principle of viscous dampers, taking a high school auditorium as an example, elaborated the layout principle and plan of dampers in structure design, and using ETABS, made response spectrum analysis and time history analysis under frequent earthquake and rare occurrence earthquake to the structure before and after setting dampers, the results showed that the auditorium and other kind of building structure with viscous dampers, improved the seismic performance of structures.

building structure, viscous damper, damping design, auditorium

1009-6825(2016)08-0055-03

2016-01-07

罗智刚(1979- )，男，工程师

罗 智 刚

(山西省建筑设计研究院，山西 太原030013)

TU352

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