某框架结构消能减震分析

荣 帆

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

某框架结构消能减震分析

荣 帆

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

通过对某框架结构进行分析，重点讨论了结构增设粘滞阻尼器后在多遇地震、罕遇地震下的整体力学性能，得出结构在罕遇地震下的弹塑性发展趋势。结果表明，合理设置粘滞阻尼器可增加结构阻尼比，减小地震响应，起到预期消能减震的效果。该结构位移角满足规范要求，同时有效改善了结构薄弱层的抗震性能。

消能减震，粘滞阻尼器，罕遇地震，薄弱层

1 工程概况

山西省某建筑为地上3层，地下1层，结构高度16.29 m，平面总长62 m，总宽44.3 m。建筑面积为7 207.26 m2。结构形式为钢筋混凝土框架结构。建筑功能为公共图书馆，且为当地标志性建筑。该建筑拟采用消能减震技术，以达到减小结构构件截面，提高结构整体抗震性能的目的。

2 结构设计参数

1)自然条件。a.场地的工程地质：场地土的类型为中软场地，场地类别Ⅲ类。b.风荷载：基本风压：按50年一遇的基本风压采用，取0.4 kN/m2。c.地面粗糙度：B类。d.地震参数：抗震设防烈度：8度；基本地震加速度0.20g；设计地震分组：第二组。

2)结构设计标准。a.结构设计年限：50年。b.结构设计等级：抗震措施所采用抗震设防烈度：8度；钢筋混凝土结构的抗震等级：框架二级；抗震设防类别：丙类。c.结构消能减震要求：通过设置粘滞阻尼器以增加结构的安全度，拟附加3%的阻尼比。

3 消能减震装置的设计与布置

3.1 阻尼器布置的原则

1)在多遇地震下，其主体结构保持弹性，非结构构件无明显损坏；在罕遇地震考虑下，其减震阻尼器系统能正常发挥功能。2)依据预期的水平向地震力和位移控制要求等参数，选择适当数目的阻尼器，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。4)消能减震结构设计时按各层消能部件的最大阻尼力进行截面设计,同时应验算相邻梁柱的强度，并适当采取一些补强措施。5)对含减震阻尼器的结构进行整体分析，包含不同地震级别下的结构弹塑性分析。

3.2 消能减震装置的布置方案

在本工程减震分析中，将16组粘滞阻尼器安装在原结构上。

所选用的粘滞阻尼器规格和数量详见表1。粘滞阻尼器及支撑的平面在平面均匀布置，且尽可能布置于内力、位移较大处。

表1 附加粘滞阻尼器的布置方案及设计参数

3.3 地震波的选取

GB 50011—2010建筑抗震设计规范以下简称《抗规》5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按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，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程计算的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程计算的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

本工程实际选取了5条强震记录和2条人工模拟加速度时程，基底剪力与反应谱结果相比：最小值72%，最大值107%，平均值81%。满足规范相应要求。

《抗规》规定：输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间，一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一刻算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止；无论是实际的强震记录还是人工模拟波形，有效持续时间一般为结构基本周期的5倍～10倍。本项目选取的七条地震波有效持续时间与结构基本周期的最小比值为20.85，满足规范要求。

4 消能减震分析

采用非线性时程分析法进行消能减震结构的抗震性能分析和减震效果评价，并与振型反应谱分析法进行比较。对于多遇地震作用下的弹性工况分析基于ETABS软件进行。分析内容包括：结构减震前后的层间剪力及层间位移角对比、阻尼器在多遇地震下的实际等效附加阻尼比计算和滞回耗能分析等。对于罕遇地震的工况分析基于PERFORM-3D软件进行，主要分析内容包括：罕遇地震作用下结构抗震性能的分析、结构减震前后屈服机制和非线性状态的对比、附加粘滞阻尼器的设计承载力和设计行程校核等。

4.1 多遇地震作用下消能减震结构弹性分析

基于ETABS模型，对消能减震结构进行多遇地震作用下的弹性分析。考虑到本工程底层的位移反应较大，因此仅选取消能减震结构阻尼器，其滞回曲线显示：减震结构中X向和Y向阻尼器表现出较好的消能能力。

4.2 阻尼器附加阻尼比

本工程中粘滞阻尼器附加给结构的等效阻尼比按应变能法计算。消能减震结构在水平地震作用下的总应变能可按GB 50011—2010建筑抗震设计规范第12.3.4条款估算。通过ETABS软件分析计算，消能器附加结构的阻尼比：X方向为9.5%，Y方向8.1%。由此可以看出结构消能器的附加阻尼比能达到3%的要求。

4.3 罕遇地震作用下动力弹塑性非线性地震反应分析与抗震性能评价

4.3.1 分析方法

通过弹塑性分析，拟达到以下目的：1)对结构在罕遇地震作用下的非线性性能给出定量(性)解答，研究本结构在罕遇地震作用下的变形形态、构件的塑性及其损伤情况，以及整体结构的弹塑性行为，具体的研究指标包括最大顶点位移、最大层间位移及最大基底剪力等；2)给出结构的塑性发展过程，描述各构件出现塑性的先后次序，分析结构的屈服机制并对其合理性作出评价；3)研究结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况，重点考察的部位主要包括但不限于下列部位：结构的加强部位等；4)论证整体结构 在罕遇地震作用下的抗震性能，寻找结构的薄弱层或(和)薄弱部位；5)根据以上研究成果，对结构的抗震性能给出评价，并对结构设计提出改进意见和建议。本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应。为达到罕遇地震作用下防倒塌的抗震设计目标，根据《建筑抗震设计规范》，取弹塑性最大层间位移角限值为1/50。通过弹塑性时程分析得出阻尼器的最大位移和最大速度为设计提供参数依据。

4.3.2 分析模型验证

该工程采用PERFORM-3D软件进行弹塑性分析。将PERFORM和PKPM模型计算得到的质量、周期进行对比，见表2，表3，表中差值=丨PERFORM- SATWE丨/SATWE×100%。

综合上述数据可以看出，原结构PERFORM模型与PKPM模型的结构质量和计算周期的差异较小，能真实地反映结构的基本特性。

表2 原结构模型质量对比

表3 原结构模型周期对比

4.3.3 ST1消能减震结构设防地震和罕遇地震响应分析

基于前面的弹性分析结果，选择其中地震响应相对较大的三条时程波进行罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析。为减少弹塑性时程分析的计算工作量，在保留其波峰特征及有效持时的前提下统一截取其20 s时长进行弹塑性计算，其计算结果见表4。

表4 弹塑性层间位移角

由上述计算结果可知，消能减震结构(ST1)的层间位移角都满足规范1/50的限值要求(不考虑顶层小塔楼)，这充分说明结构采用粘滞阻尼器进行消能减震设计是切实有效的。

4.3.4 消能减震结构的弹塑性发展

以反应最大的aw时程波为代表，对消能减震结构进行罕遇地震作用下的弹塑性屈服机制分析。结果表明，子框架主要构件在罕遇地震作用下基本处于弹性。

由上述分析可知，设置粘滞阻尼器的消能减震结构在罕遇地震作用下呈现“强柱弱梁”的塑性铰发展机制，且在结构中的带阻尼器子框架没有达到极限承载力出现破坏，这表明主体结构在罕遇地震作用下的损伤状况能够得到有效控制和改善，使得整体结构具有良好的抗震性能，有利于实现“大震不倒”的设防目标。

5 结语

使用ETABS软件和PERFORM-3D对减震结构在8度(0.2g)地震作用下进行反应谱分析和时程分析，分析了多遇地震作用下和罕遇地震作用下结构的反应，分析表明结构采用消能减震设计方案具有良好的效果和独特的优势，主要体现在以下几个方面：1)在结构中共设置粘滞阻尼器16个，通过7条时程波的计算分析，得出多遇地震作用下阻尼器所提供的等效附加阻尼比约为6%，在设计时考虑阻尼器给结构提供安全性，同时考虑阻尼器附加阻尼比为3%。2)结构在8度罕遇地震时X，Y向的最大层间位移角则分别为1/110，1/118，满足规范要求的1/50要求。3)基于多遇、罕遇地震作用下结构采用粘滞阻尼器减震设计之后，改善了原结构薄弱层的抗震性能。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范(2016年版)[S].

[2] JGJ 297—2013，建筑消能减震技术规程(2013年版)[S].

On analysis of energy dissipation of some frame structure

Rong Fan

(ArchitecturalDesignandResearchInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on the analysis of a frame structure, discusses the structure of viscous dampers in the earthquake, the whole mechanical performance under severe earthquake, the structure under rare earthquake elastic-plastic development trend. The results show that a reasonable set of viscous dampers can increase the damping ratio of the structure and reduce the seismic response, thus achieving the desired effect of energy dissipation. The displacement angle of the structure meets the requirements of the code, and the seismic performance of the weak layer of the structure is effectively improved.

energy dissipation, eiscous damper, rare earthquake, weak layer

1009-6825(2017)21-0039-02

2017-05-16

荣 帆(1983- )，男，工程师

TU352.1

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