粘滞阻尼器在框架结构减震设计中的运用

李祖玮+潘文+陈晓彬+兰香

摘要：本文主要针对粘滞阻尼器在框架结构中的应用作了具体深入的研究，分析了安装消能装置结构在常遇地震和罕遇地震作用下层间剪力和层间位移的变化规律，利用有限元软件SAP2000对比分析了无控结构和消能减震结构的地震反应，得到阻尼器对结构动力性能的影响，从而说明安装粘滞阻尼器的消能减震结构的抗震优越性及应用前景。

Abstract： This paper mainly studies the application of viscous damper in the frame structure， analyzes the variation law of interlaminar shear and interlaminar displacement under the function of frequent and unusual earthquake. The seismic response of the uncontrolled structure and energy dissipation structure is analyzed by the finite element software SAP2000 and the effect of damper on dynamic performance of structure is obtained to illustrate the seismic performance and application prospect of the energy dissipation structure of viscous dampers.

关键词：框架结构；粘滞阻尼器；消能

Key words： frame structure；viscous damper；eenergy dissipation

中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）35-0143-03

0 引言

消能技术的发展使得结构抗震可利用阻尼器的耗能达到抗震的目的，并可以根据性能需求来对结构进行设计[1]。

粘滞阻尼器是一种无刚度，速度相关型阻尼器，构造简单，材料经济，减震效果好，逐渐被广泛应用到土木工程结构抗震领域[2]。粘滞阻尼器具有大量消耗地震输入能量，有效减小地震动力响应，降低楼层层间位移的能力[3]。该装置虽然可以提高结构的安全性能，但现有的粘滞阻尼器在构造设计和布置位置上仍存在一些不足。本文将其运用于某工程的减震控制，表明了粘滞阻尼器的耗能减震效果。

1 工程概况

本工程为曲靖市某小学的教学楼，工程结构为5层，地下室一层，建筑高度为19.5m，总建筑面积为9654.28m2。结构体系为框架结构。本工程抗震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.2g，地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类。根据云南省建设工程抗震设防管理的有关规定，本工程适宜采用减震技术，通过设置消能装置来提高结构的抗震安全性。

2 阻尼器参数及布置位置

2.1 附加有效阻尼比的计算

①根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[4]（以下简称《抗规》）的第12.3.4条：消能部件附加给结构的有效阻尼比，可按下列方法确定。

②消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：

2.2 阻尼器布置原则及合理位置

阻尼器在同一楼层的布置中，应遵循的原则是：均匀、分散、对称，并且阻尼器之间的有效间距不宜过大，建议不要超过60m[5]。在竖向布置中应遵循连续布置的原则，竖向连续有助于提高结构的设计效率和安全性。

根据该结构的结构布置和建筑使用功能，在该结构中布置27个粘滞阻尼器，阻尼器数量见表1，布置位置见图2，圈起的部位为阻尼器的布置位置。粘滞阻尼器非线性力-变形关系[6]为：

式（2）中：C为阻尼系数，根据设计需求选取；α为阻尼指数，根据设计需求选取；V为结构的速度。

3 结构抗震性能分析

3.1 结构的减震目标

根据抗规和《高层建筑混凝土结构技术教程》（JGJ3—2010）[7]（简称高规）的相关规定来确定本结构在多遇和罕遇地震作用下的减震目标（表2）以及与黏滞流体阻尼器相连构件和节点的性能目标（表3）。

3.2 地震波的确定

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）5.1.2条和《高层建筑混凝土结构技术教程》4.3.3条中的相关规定，并且充分考虑地震动的三个要素：振幅、频谱特性、持时[8]，选取了实际5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线。其中两条加速时程曲线如图2。

3.3 弹性时程分析

使用软件ETABS建立减震与非减震结构模型进行弹性时程分析，并且对比两种结构在地震作用下的响应。在ETABS中，使用连接单元Damper模拟粘滞阻尼器[9]。图3为小震下减震与非减震结构的层间位移角曲线（由于篇幅有限这里只给出X向的结果），最大层间剪力比和楼层位移对比见表4、表5。

从图3可以看出，采用消能装置能够很大程度上弥补设计不足，增强结构的抗震性能，使得结构处于安全状态。

3.4 减震结构弹塑性时程分析

基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计可以成为一种主动设计手段，能进一步完善我国现有的抗震设计方法，逐渐在结构抗震领域中使用[10]。

本工程使用软件SAP2000进行减震结构的弹塑性时程分析。在SAP2000中。使用连接单元Damper模拟粘滞阻尼器，框架梁、柱均定义塑性铰[11]。弹塑性时程分析过程中，在弹性时程分析的基础上选择三条地震波进行计算分析。根据规范及场地要求对所选地震波调动幅值。单向地震作用下，地震波分别沿X向、Y向输入，三条波的计算结果见表5。

根据抗规，为了使结构在地震作用下具有合理的耗能机制，允许结构在大震作用下部分构件进入塑性，结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。100号地震波在X向单向输入时结构的出铰顺序见图4。

4 结论

①采用粘滞阻尼器的减震结构较非减震结构其抗震性能得到了明显提高。

②罕遇地震作用下构件开始进入塑性，粘滞阻尼器通过阻尼耗能，使得结构层间位移，层剪力都得到有效控制，但是没有多遇地震作用下的减震效果明显。

③通过在建筑结构中采用消能技术加固后，由粘滞阻尼器提供附加阻尼比来消耗输入结构的地震能量，有效的降低结构的地震响应，从而达到良好的减震效果。

参考文献：

[1]程选生，贾传胜，杜修力.消能减震技术在结构抗震加固改造中的应用[J].土木工程学报，2012（S1）：253-257.

[2]周云，尹庆利，林绍明.带黏滞阻尼器腋撑钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2011（11）：64-73.

[3]张敏，汪大洋，耿鹏飞.黏滞阻尼器在实际工程中的应用研究[J].土木工程学报，2013（S1）：45-50.

[4]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]郭瑜.耗能减震结构耗能装置的优化设置研究[D].西安建筑科技大学，2009.

[6]社团法人日本隔振结构协会.被动减震结构设计·施工手册[M].蒋通，译.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[7]JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[8]曹资，薛素铎，王雪生，刘迎春.空间结构抗震分析中的地震波选取与阻尼比取值[J].空间结构，2008，03：3-8.

[9]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.ETABS中文使用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[10]娄宇，温凌燕，徐小燕，王庆扬，王传甲，陈志强，彪仿俊.基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计[J].建筑结构，2011，05：1-8.

[11]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标设计研究院.SAP2000中文使用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.