某框架结构减震设计与抗震性能研究

李耀先

摘要： 随着我国经济水平的不断提高，人们对结构的抗震性能提出了更高的要求，以昆明市某教学楼工程为例，对其采用黏滞阻尼器进行减震设计，研究其在各水准地震作用下的抗震性能。研究结果表明：黏滞阻尼器减震效果明显，结构抗震性能满足预期性能目标。研究成果为黏滞阻尼器在高烈度区的应用提供了参考。

Abstract： With the continuous improvement of China's economic level， people put forward higher requirements for the seismic performance of the structure. Taking the construction of a teaching building in Kunming as an example， the design of the damped dampers is used to study the seismic under the action of the seismic performance. The research results show that the viscous dampers have obvious shock absorption effect and the seismic performance of the structures meet the expected performance targets. The study result provides a reference for the application of viscous dampers in high intensity areas.

關键词： 抗震性能；黏滞阻尼器；减震；高烈度区

Key words： seismic performance；viscous dampers；shock absorption；high intensity areas

中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）19-0098-02

0 引言

随着城市化进程的加速发展，地震给人类造成的灾难会更加惨重，减轻地震灾害成为21世纪及更长时期的重要研究课题。我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一，地震强度大、分布广、成灾率高等特点。仅在20世纪，全球1/3的大陆地震发生在我国，地震共造成55万人死亡，占全球地震死亡人数一半以上，居世界首位。国内外震害资料和研究表明，减震结构能够有效提高结构的抗震性能。结构耗能减震技术是指在结构的某些部位增设阻尼器，通过阻尼器产生摩擦、弯曲等滞回变形来耗散或吸收地震动输入能量，减轻结构损伤。

1 黏滞阻尼器特点

黏滞阻尼器是一种速度型阻尼器，一般由缸体、活塞、阻尼孔、黏滞流体阻尼材料和导杆等部分组成。地震发生时，活塞在缸筒内作往复运动，活塞上有适量阻尼孔，缸筒内装满黏滞阻尼材料。当活塞在缸筒内运动时，活塞前后会产生压力差，黏滞材料从阻尼孔中流过，从而产生阻尼力，达到耗能减震的目的，与其他阻尼器相比，黏滞阻尼器具有如下优点：

①其他阻尼器需要经常检修，在大震作用后需要更换，而黏滞阻尼器基本不需要更换。

②黏滞阻尼器随温度变化其性能较为稳定，在地震作用下不容易失效。

③黏滞阻尼器仅为结构附加阻尼而不附加刚度，有效减小结构地震响应，设计方法简单，工程师易于掌握。

2 工程概况

本工程为昆明市某中学教学楼。结构体系为混凝土框架结构，结构共5层，总高度20.05m（不含坡屋面），建筑面积总为1761m2。该工程抗震设防为8度（0.2g），地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，设计反应谱特征周期为0.45s，抗震设防分类为重点设防类（乙类建筑）。减震结构有限元分析模型如图1所示。

3 减震设计方案

根据抗震专项审查要求，该项目需采用减震设计，设计时考虑场地条件，设防烈度及安全经济性，采用黏滞阻尼器的消能减震方案。最终确定需要在多遇地震下给结构附加5%的阻尼比，阻尼器在不影响建筑使用功能的情况下，按照“均匀、分散、对称”的原则进行布置，阻尼器共12个，13层，X与Y向均为2个，阻尼器布置平面图如图2所示，采用的黏滞阻尼器参数为阻尼系数C=100kN/（mm/s），阻尼指数0.15。

4 有限元模型建立与地震波选取

4.1 有限元模型建立

根据建筑图，采用PKPM建立结构模型，采用SAP2000进行有限元分析，因此需要将PKPM模型导入到SAP2000中，由于模型在相互导入时存在一定误差，需要对PKPM软件与SAP2000软件中的同一栋建筑结构模型的质量、周期等进行对比，确保两种软件中的同一栋建筑结构模型误差在可接受的范围内。两种软件计算得到的质量、周期及误差分析结果分别如表1、表2所示。

从表1和表2数据可以看出，两种软件计算得到的模型结构质量、周期相差较小，因此可以认为SAP2000建立的有限元分析模型符合要求。

4.2 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范》5.1.2条规定，选取了5条天然波和2条人工波进行小震弹性时程分析，所选地震波需满足统计意义上相符，时程曲线反应谱与规范反应谱对比图如图3所示。

5 减震分析

减震结构通常采用两阶段的分析方法，即多遇地震弹性时程分析和罕遇地震作用下弹塑性时程分析。

5.1 弹性分析结果

弹性分析采用SAP2000对附加阻尼比进行复核，黏滞阻尼器采用Damper单元进行模拟，采用FNA法进行分析。根据规范简化方法计算7条波附加阻尼比，计算结果表明，X向附加阻尼比为7.24%，6.19%，附加阻尼比满足预期目标，且其安全储备较高，说明阻尼器布置合理。

为了说明减震效果，通常对比减震与非减震结构的层间位移角，图4和图5分别给出了非减震与减震结构层间位移角曲线。

由图4和图5可知，非减震结构层间位移角不满足规范要求1/550，减震结构层间位移角包络值满足预期的性能减震性能目标1/610，说明加设阻尼器结构的抗震性能得到很大提高，结构安全储备较高。

5.2 弹塑性分析结果

在罕遇地震下弹塑性时程分析时通常定义梁柱的塑性铰以模拟结构的非线性，进行罕遇地震分析时一般选取2条天然波和1条人工波进行时程计算。层间位移角是衡量结构抗震性能的重要指标，3条波层间位移角计算结果为：575号波X向1/146、Y向1/160；590号波X向1/124、Y向1/121；R05号波X向1/193、Y向1/204。取其包络值为1/121。

由罕遇地震作用下层间位移角计算结果可知，结构层间位移角满足规范要求1/50，达到预期的减震性能目标，结构安全储备较高；从结构时程分析塑性发展情况來看，结构先出现梁铰，后出现柱铰，铰的塑性发展程度较低，结构满足“强柱弱梁”的概念设计要求。

6 结论

通过对昆明市某教学楼进行减震设计与分析，对其抗震性能进行研究，可以得出采用减震设计结构的抗震性能可以得到很大提高，结构安全储备较高，该工程可为高烈度地区结构抗震设计提供参考。

参考文献：

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

[2]JGJ 297-2013，建筑消能减震技术规程[S].北京中国建筑工业出版社，2014.

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[4]张志强，李爱群.建筑结构黏滞阻尼器减震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

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