粘滞阻尼器在框架结构中的应用分析研究

董长祥 岳焱超 尚世力 邹小亮 王新娣

(1.山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013； 2.西安交通大学，陕西 西安 710049；3.上海蓝科建筑减震科技股份有限公司，上海 200433)



粘滞阻尼器在框架结构中的应用分析研究

董长祥1岳焱超2尚世力2邹小亮3王新娣3

(1.山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013； 2.西安交通大学，陕西 西安 710049；3.上海蓝科建筑减震科技股份有限公司，上海 200433)

结合工程实例，介绍了粘滞阻尼器在框架结构中的设计思路，并建立了Perform3D模型，对使用粘滞阻尼器的结构进行了弹塑性时程分析，结果表明，粘滞阻尼器能充分耗散地震能量，为结构提供附加阻尼比，减轻结构的地震反应。

框架结构，粘滞阻尼器，弹塑性时程分析，屈服状态

传统的结构抗风、抗震是通过结构自身的强度和刚度来抵御地震和风荷载，由于地震的不确定性和风荷载的模拟的欠缺，使得工程师不能十分准确的计算结构未来遭受的地震和风的影响，那么结构很可能不满足安全性要求[1]。如果能够有效的对结构进行振(震)动控制，例如在结构增加阻尼器，就能有效的改善结构在动力荷载下的影响，从而提高结构的抗震抗风能力。

粘滞阻尼器最先用在军事和重工业领域[2]，将阻尼器用于结构的振动控制还是始于20世纪80年代，在这方面的研究美国和日本做的比较早，目前粘滞阻尼器在结构中的应用技术已经比较成熟，目前许多工程都在采用粘滞阻尼器进行结构的振动控制。

本文将对某一实际工程运用粘滞阻尼器的减震效果进行分析。

1 工程概况

本工程位于8度区，抗震设防烈度为8度(0.2g)，地震分组为第二组，场地类别为二类，该工程为四层框架结构，建筑高度为19.5 m，结构体系为框架结构。

2 设计思路目标

1)本工程减震建筑的要求为：在多遇地震下，其建筑结构须完全保持弹性，且非结构构件无明显损坏；在罕遇地震考虑下，其减震阻尼器系统仍能正常发挥功能。2)本工程减震设计依据预期的水平向地震力和位移控制要求等参数，计算出减震结构所需求的总阻尼比(ξeff)，据此选择适当的阻尼器，并配置在适当的位置。3)阻尼器配置在层间相对位移或相对速度较大的楼层，同时采用合理形式增加消能器两端的相对变形或相对速度，提高消能器的减震效率。4)对含减震阻尼器的结构进行整体分析，包含各个不同地震考虑下的结构弹塑性分析。根据以上设计思路和要求，本工程采用11个粘滞流体阻尼器，它们分别是：X向1层～3层，每层2个，一共6个，Y向1层2个，2层3个，一共5个。所用阻尼器的参数如表1所示。

表1 粘滞流体阻尼器参数表

3 结构的弹塑性时程分析

3.1 Perform3D模型的建立

本工程使用大型有限元软件Perform3D进行结构的弹塑性时程分析，在软件中，使用非线性单元Damper模拟粘滞阻尼器，主体框架结构梁、柱均定义为塑性铰，Perform3D模型图如图1所示。

为了校核所建立的结构模型的准确性，将Perform3D和PKPM建立的非减震结构模型计算得到的质量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力进行对比，如表2～表4所示。

表2 非减震结构质量对比 t

表3 非减震结构周期对比(前三阶) s

表4 非减震结构基底剪力对比 kN

综合表2～表4可知，用于本工程减震分析计算的Perform3D模型与PKPM模型，在结构质量、周期、基底剪力方面的差异很小，因此，两模型基本上是一致的。

3.2 地震波的选取

按GB 50011—2010建筑抗震设计规范要求，该结构的抗震计算应采用动力时程分析法，且动力时程分析应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于2组实际强震记录和1组人工模拟的加速度时程曲线。本工程结构的减震设计首先采用拟合的人工波进行设计，然后再输入2条天然地震波和1条人工波，取得包络值后进行比较，以保证计算的合理性，所采用的人工波和天然地震波的加速度时程曲线见图2～图4。

3.3 结构弹塑性时程结果

为了分析结构在不同地震波、不同地震输入方向作用下结构的弹塑性性能，对结构进行单向地震输入作用下的弹塑性动力性能进行分析，得出结构地震作用响应结果，如位移、塑性铰分布等，最终结果见表5，表6。单向地震作用下，地震波分别沿X，Y向输入。

表5 大震下结构层间位移角

rad-1

表6 大震下结构层间剪力 kN

3.4 结构弹塑性时程屈服状态

该部分分别截取了3条地震波作用下梁柱构件最终屈服状态图，通过梁柱的出铰情况可以看出结构在地震作用下的受损程度。

PF3D中使用的塑性铰定义遵循FEMA性能化设计准则。

以KL250×650为例，使用三折线塑性铰模型。在这里三种变形状态的取值可以对应延性，取1,2及2.5时的变形，即IO取值为屈服曲率，LS取值为2倍的屈服曲率，CP取值为2.5倍的屈服曲率。随着延性比增加，截面进入塑性逐渐增强。

图5～图10反映的是三条地震波作用下梁柱构件最终屈服状态。

通过上面的各种地震作用下的梁柱出铰图可以看出，在大震作用下，大部分的梁柱没有出铰，阻尼器在大震作用下能吸收大部分的能量，从而有效的保护梁柱结构。

3.5 阻尼器滞回曲线

该部分提取粘滞阻尼器的内力—变形曲线，以查看粘滞阻尼器在七条地震波罕遇地震作用下的滞回性能，取Y向1轴粘滞阻尼器为例，以kN，mm为单位，如图11～图13所示。

通过图11～图13可以看出，在大震作用下阻尼器表现出对称饱满的滞回性能，阻尼器在大震作用下能耗大部分地震能量，从而有效的保护了主体结构。

4 结语

通过对结构整体模型进行了弹塑性时程分析，采用七条地震波分析了结构在X向单向和Y向单向地震输入时结构的弹塑性性能，主要结论如下：

1)在罕遇地震作用下，结构的整体变形均没有超过规范限值的1/80，其中X方向平均最大层间位移角为1/156，Y方向平均最大层间位移角为1/143，满足“大震不倒”的抗震设防标准；2)粘滞阻尼器形成饱满的滞回曲线，在七条地震波罕遇地震作用下，粘滞阻尼器全部进入耗能状态，且受力未达到极限承载力，位移未超过极限位移，这说明粘滞阻尼器是结构耗能的一种主要构件，充分耗散地震能量，可提供相当的附加阻尼比，减小结构地震反应。

[1] 张志强,李爱群,徐庆阳,等.建筑减振粘滞阻尼器工程应用新进展[J].江苏建筑,2007(2):15-19，58.

[2] 蒋春艳,魏建国,王森林.网架结构的粘滞阻尼器减震控制[J].四川建筑,2007(5):148-150.

[3] 侯志菡.某教学楼采用粘滞阻尼器的消能减震设计[J].山西建筑,2015，41(6):32-33.

[4] 陈瑞雪,邢国雷,薛 涛.复合金属阻尼器在高层建筑中的抗震分析[J].山西建筑,2015，41(32):45-47.

[5] 罗 鹏,罗苏平,谢长余.附加非线性粘滞阻尼器加固结构的动力分析[J].山西建筑,2015，41(32):51-53.

[6] 常方方,刘 清,宋和平.粘滞阻尼器加固某中学框架的减震分析[J].低温建筑技术,2012(5):72-74.

On application of viscous damper in framework

Dong Changxiang1Yue Yanchao2Shang Shili2Zou Xiaoliang3Wang Xindi3

(1.ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China; 2.Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China; 3.ShanghaiLankeBuildingDampingTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200433,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the design ideas for the viscous dampers in the framework, establishes the Perform3D model, undertakes the elastic plastic time-history analysis for the viscous damper, proves by the result that the viscous damper can consume the seismic energy, so as to provide the additional damper ratio and relieve the structural earthquake response.

framework, viscous damper, elastic plastic time-history analysis, yielding status

1009-6825(2016)11-0034-03

2016-01-28

董长祥(1963- )，男，高级工程师； 岳焱超(1983- )，男，硕士生导师，讲师； 尚世力(1989- )，男，在读硕士

TU352.1

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