结构附加液体黏滞阻尼器抗震性能分析

张 淼

(云南中鼎建筑设计有限公司，云南 昆明 650228)



结构附加液体黏滞阻尼器抗震性能分析

张 淼

(云南中鼎建筑设计有限公司，云南 昆明 650228)

以7度区某办公楼工程为例，对该结构附加黏滞阻尼器进行了弹塑性动力时程分析，结果说明，附加黏滞阻尼器的结构抗震性能得到了提高，结构符合强柱弱梁的设计概念，减震效果达到了预期的性能目标。

黏滞阻尼器，结构设计，动力时程分析，抗震性能

0 引言

我国地处世界两大地震带的交汇处，地震发生的频度和烈度较高；我国将近70%的地区为地震区；地震是一种突发性，毁灭性的自然灾害，是人类面临的最大自然灾害之一。如2008年汶川地震导致受灾面积达到13万km2，地震不仅造成人员伤亡，而且造成的直接经济损失达8 000多亿元人民币。减轻地震灾害是一项巨大的工程，国家曾明确提出“以预防为主”，通过提高结构的抗震设防目标来减轻或避免损失。随着经济的发展，人们对结构的抗震性能提出了更高的要求。传统的结构抗震是通过结构的塑性变形来吸收地震动输入能量[1]，但是在高烈度区，传统结构体系中构件的布置与建筑布置之间存在很大的矛盾。而且构件刚度越大，地震时所吸收的地震能量也越大，造成建筑既不经济，也不适用。

消能减震结构是指在结构适当位置布置耗能器，在地震作用时通过耗能器产生相对位移或相对速度耗能，从而减轻结构主体损伤。黏滞阻尼器是一种速度型阻尼器，由活塞与阻尼液相对运动产生阻尼，其主要优点是对结构主频几乎无影响，可有效控制结构的加速度，减小结构的附加作用。而且其设计方法简单，成为目前工程中应用最为广泛的耗能器[1]。

1 工程概况

本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构抗震安全等级

为二级，结构所在场地设防烈度为7度；结构设计基本加速度为0.1g；根据地质勘查报告，结构场地类别为Ⅱ类土，地震分组为第三组，特征周期为0.45 s。

该工程结构体系为现浇钢筋混凝土框架结构，主体结构共6层(不含凸出屋面部分)，建筑总高度23.8 m，首层层高3.9 m，第二层层高4.7 m,其余层高均为3.8 m，总建筑面积32 711 m2，模型结构三维有限元如图1所示。

2 抗震方案与减震方案对比

在尝试采用传统抗震方案时，构件的截面尺寸较大，与建筑的功能不相适应，而且构件的超筋现象较为严重，结构刚度增加，在地震作用下结构所吸收的地震能量也越大，这样导致很不经济，而且安全性不高。

采用黏滞阻尼器减震方案后，结构主要受力构件的截面尺寸可大大减小，在小震下黏滞阻尼器为结构附加阻尼比，结构响应得到有效控制，达到预期的减震性能目标，在罕遇地震下安全性储备较高，最后确定采用黏滞阻尼器减震方案。

3 减震设计方案

结构采用PKPM软件进行试算，计算出结构达到性能目标所需的总阻尼比为7%，即需要附加2%的阻尼比，按照“均匀、对称、分散”的原则进行布置，最后采用阻尼器的数量总共为44个，其中X向22个，Y向22个，阻尼系数C取100 kN/(mm/s)0.15，悬臂墙为200 mm×1 500 mm。

采用大型通用有限元软件ETABS 复核阻尼器实际附加阻尼比，计算结果表明：X向以及Y向附加阻尼比分别为3.47%，3.69%。附加阻尼比满足要求，而且富余较多，可以提高结构的安全储备，说明阻尼器位置布置合理，阻尼器能够发挥较好的效果。

4 减震分析

4.1 地震波的选取

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(简称抗规)[2]要求，消能减震结构进行动力时程分析法时，应按场地类别、地震分组选用天然波和人工波，其中天然波的数量不应小于所选用地震波总数的2/3。

根据工程经验，在对结构减震小震弹性分析时一般选择7条波进行，其中5条天然波和2条人工波，在对结构进行大震弹塑性分析时一般选择2条天然波和1条人工波，时程反应谱(多遇下为35 gal)与规范反应谱5%阻尼比对比如图2所示。从图2中可以看出，所选地震波满足规范要求，时程平均值与规范谱在主要周期点上相差小于20%。

4.2 小震下的结构弹性时程分析

在SAP2000中有限元分析软件中，黏滞阻尼器通常采用damper阻尼单元进行模拟阻尼器的行为，采用快速非线性分析(FNA)方法对有阻尼器结构进行了计算，无阻尼器的结构采用线性分析方法，如图3，图4所示，分别列出了2条天然波和1条人工波在7度小震作用时无控结构和有控结构层间位移角曲线。

对比图3与图4可知，结构在没有装设阻尼器(无控)时层间位移角接近1/650,加阻尼器(有控)结构层间位移角远远小于性能目标1/650,说明附加阻尼器结构的位移得到有效控制，结构安全性大大提高，达到预期设定的减震目标，在地震作用下结构损伤较小。

4.3 大震下结构弹塑性分析

该工程罕遇地震模型采用SAP2000进行建模分析，《建筑消能减震技术规程》中[3]规定：加设阻尼器的结构应该比传统非减震结构的抗震性能有所提高，在软件中通过定义塑性铰来模拟构件的塑性发展行为[4]。动力弹塑性时程分析结果表明，该结构在罕遇地震作用下首先出现梁端塑性铰，然后出现少量的柱铰，大震作用下结构层间位移角包络值小于1/100，满足抗规限值1/50，满足“强柱弱梁，强剪弱弯”的设计理念，结构抗震性能较高。

5 结语

本文通过对一办公楼采用黏滞阻尼器进行减震设计分析，对比非减震结构，减震能有效减小截面尺寸，建筑功能满足要求，阻尼器在小震下附加阻尼比，增大了结构阻尼比，在大震下充分发挥耗能作用。层间位移角小震下3条波包络值远小于1/650，大震下包络值小于1/100，达到预期减震性能目标，结构的安全度得到很大提高。

[1] 周 云.黏滞阻尼器减震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2006.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] JGJ 297—2013，建筑消能减震技术规程[S].

[4] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.

Analysis of seismic behavior of structural additional viscous dampers

Zhang Miao

(YunnanOrientMansionArchitecturalDesignCo.,Ltd,Kunming650228,China)

Take the office building engineering in 7 degree zone as an example, it carries out elastic dynamic time-history analysis for the structure with viscous damper, results show that the seismic performance of the viscous dampers is improved greatly. The structure satisfies the design concept of strong columns and weak beams, and the shock absorption effect achieves the expected performance targets.

viscous dampers, structure design, dynamic time history analysis, seismic performance

1009-6825(2017)07-0027-02

2016-12-20

张 淼(1983- )，男，工程师

TU352.1

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