某幼儿园框架结构粘滞阻尼器减震分析

罗荣++杨丽++徐彬++陈进

摘要：结合昆明市某幼儿园四层钢筋混凝土框架结构的工程实例，采用ETABS对该幼儿园进行消能减震分析，用附加非线性阻尼单元模拟粘滞阻尼器。结果表明，多遇地震时，结构层剪力、层间位移角较未加阻尼器前有显著减小；大震时，层间最大位移角也能显著减小；两种情况下的位移角均满足规范要求。

Abstract： Combined with the cases of four-storey reinforced concrete frame structure of a kindergarten in Kunming City， the software ETABS was adopted for energy dissipation analysis of the kindergarten. The viscous dampers was simulated with additional nonlinear damping units in this paper. The results show that the structural layer shear， and interlayer displacement angle have been reduced obviously than before strengthening for more severe earthquake.The largest interlayer displacement angle can significantly reduce for larger earthquake. The both displacement angle can satisfy the requirements of specification.

关键词：框架结构；消能减震；粘滞阻尼器；弹塑性分析

Key words： frame structure；energy dissipation；viscous damper；elastic-plastic analysis

中图分类号：TU352.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0096-04

0 引言

在2008年汶川地震后，国务院提出了校舍安全工程，即对现有建筑进行加固，对新建建筑提高其抗震设防等级，采用有效的抗震措施[1]。为落实并贯彻国务院精神，云南省人民政府办公厅文件，《关于加快推进减隔震技术发展与应用的意见》[2]，要求在云南省地震区、特别是高烈度地震区的工程抗震中，通过在建筑物的抗侧力体系中设置消能部件，以提高结构的抗震能力。文章提到的实际工程是一个幼儿园建筑，属重点设防类工程，根据以上文件和建设方的要求，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。

对建筑物进行消能减震设计时，可以使用阻尼器来达到此目的。自上个世纪七十年代后，这种减震设计方式就广泛应用于土木结构工程，并且发展十分迅速，尤其是粘滞阻尼器。周云[3]、翁大根[4]、郭道元[5]等均指出使用阻尼器对建筑物进行加固，在地震力的作用下，阻尼器能产生很大的阻尼，抵消结构构件和节点产生的位移，有效地吸收和消耗了地震能量，显著地降低了结构的地震反应，从而达到了消能减震的目的。

1 工程概况

该工程为昆明市某幼儿园四层钢筋混凝土框架结构工程，地上4层，长67m，宽32m，层高均为3.3m，建筑平面图如图1所示。上部结构采用粘滞阻尼器进行减震设计，结构形式采用矩形钢筋混凝土梁、柱作为框架，其中柱尺寸为400～800，梁截面尺寸为b（200～550）、h（250～850）。抗震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.2g，地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期取0.4s。该幼儿园设计为丙类建筑，汶川地震后，GB50233-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[6]将中小学归为乙类建筑，因此需要进行减震设计。

2 SATWE与ETABS非减震结构模型对比

为了校核所建立的结构模型的准确性，使用ETABS和SATWE分别建立的非减震结构的计算模型，设置各阶振型阻尼均为5%，将二者分别计算得到的质量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力、层间位移及层间位移角进行对比，模型图见图1，对比结果见表1。

从表1对比结果可以看出，用于本工程减震分析计算的ETABS模型與PKPM模型，在结构质量、周期、各层剪力、楼层位移及最大层间位移角方面的差异很小，故两模型基本上是一致的，可以认为ETABS模型的分析结果是可靠的，下文层剪力和层位移角的分析取用ETABS的计算结果。

3 阻尼器布置方案的确定

本结构中，阻尼器的布局如图2所示：X向：2～3层，每层2个阻尼器，共4个；Y向：2～3层，每层2个阻尼器，共4个。阻尼器的连接如图3所示，该工程共用阻尼器8个。

4 结构的减震分析

在对结构使用时程分析法的时候，应该按照建筑场地类别和设计地震分组，选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，但是其所选取的实际强震记录的数量不应该少于总时程曲线的2/3[7]。在进行罕遇地震时程分析时，每一条时程曲线的计算得到的结构底部剪力不应该小于振型分解反应谱计算结果的65%。在进行多条时程曲线计算时所得到的结构底部剪力的平均值不应该小于振型分解反应谱法计算结果的80%。这样，从工程的角度考虑，保证了时程分析结果可以满足最低安全性的要求。另外分析计算的结果也不能太大，即每一条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%。

本实际工程采用了弹性时程分析法进行了计算，采用如前所述的5条天然波和2条人工波模拟加速度时程曲线，其反应谱曲线如图4所示。

采用时程分析法时，应选用不少于二组实际强震记录和一组人工波[7]。对该幼儿园进行多遇地震、大震时程的分析时，可以得到如下结论：在多遇地震下，有阻尼结构的层间剪力减小24.1%～33.6%，层间位移角减小21.5%～50.4%，X向无阻尼器和加阻尼器的层间位移角为1/688、1/965，Y向无阻尼器和加阻尼器的层间位移角为1/560、1/861，满足规范要求的1/550；大震下，有阻尼结构的层间位移角减小10.55%～66.78%，最大位移角1/141，满足规范1/50的要求。下文仅给出了具体的分析结果。

4.1 多遇地震结构的层间位移角

在ETABS分析中，多遇地震时程分析采用ETABS软件提供的快速非线性分析方法，即只考虑阻尼器的非线性、结构本身假设为线性。该工程无阻尼模型与有阻尼模型在多遇地震下各层层间位移角的对比结果，见图5。

通过图5可以看出，多遇地震下：安装阻尼器结构的层间位移角显著减小，X向层间位移角减小21.5%～49.9%，Y向層间位移角减小24.9%～50.4%；X向无阻尼器和加阻尼器的层间位移角为1/688、1/965，Y向无阻尼器和加阻尼器的层间位移角为1/560、1/861，满足规范要求的1/550。

4.2 大震下结构弹塑性时程分析

在对结构进行弹塑性时程分析时，需要考虑材料的非线性、采用小变形的假设、不考虑结构的几何非线性。对于结构的运动微分方程的求解，可以选用程序自带的逐步积分法，其中β值取0.25，γ值取0.5，Alpha系数得值取为0。按规范对所选地震波进行调幅，调幅后的峰值加速度设置为400cm/s2。

在对结构的弹塑性时程分析过程中，以弹性时程分析为基础，选取三条地震波计算分析，最终的计算结果选取三条地震波作用下的包络值。

为测试分析目标结构在不同地震波，不同地震波输入方向下，结构的弹塑性性能，还对结构进行单向地震输入作用下，结构的弹塑性动力性能进行了分析研究，并得到结构地震作用下的位移响应结果，如表2所示是大震作用下结构的层间位移角。

不同地震波输入下结构的层间位移角的计算结果为：71号波X向1/154、Y向1/141；165号波X向1/158、Y向1/148；R01号波X向1/177、Y向1/187。通过对不同地震波的时程分析，按照规范要求，三条地震波可取为包络值。

5 结语

①安装阻尼器后，结构的层间剪力和层间位移角都有明显减小，表明阻尼器能有效吸收地震能量，降低结构地震反应。②弹塑性时程分析，使用三条地震波分析了结构在X向和Y向地震输入时结构的弹塑性性能，通过对三条波的计算，按照规范要求，三条地震波可取为包络值。③罕遇地震作用下，与阻尼器相连的结构构件也相继进入塑性，因此，在结构设计中，要着重注意消能构件的设计，使其满足性能目标的要求。④基于性能的消能减震设计，是对超规范结构设计的一个思路，但仍需做进一步研究。

参考文献：

[1]邱蕊，陶忠，白良.防屈曲支撑钢框架结构抗震性能分析[J].低温建筑技术，2014，198（12）：63-65.

[2]云南省人民政府办公厅关于加快推进减隔震技术发展与应用的意见（云政办发[2011]55号）.

[3]周云.粘滞阻尼减震结构设计[M].武汉理工大学出版社，2006.

[4]翁大根，陈廷君，吕西林，任晓崧.某钢筋混凝土框架增设阻尼器抗震加固分析[J].工程抗震与加固改造，2007，29（3）：65-71.

[5]郭道远，裴星洙.同时设置金属和粘滞阻尼器的钢框架结构减震效果研究[J].工程抗震与加固改造，2010，32（6）：42-53.

[6]GB50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准[S].

[7]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].