应用黏滞阻尼器的框架结构减震效果模拟分析

冯 超 刘 龙

(安阳工学院土木与建筑工程学院，河南 安阳 455000)

0 引言

我国是一个地震频发的国家，地震灾害严重威胁人民生命财产安全。为了减轻地震灾害后果，建筑结构除了在设计阶段做好抗震设防外，还需要采用隔震，消能减震等加固手段。所谓消能减震技术，就是在原结构上某些部位附加消能减震装置——阻尼器，与原有结构构件共同作用，利用阻尼器中的介质做功吸收和消耗地震能量，减轻原建筑结构消耗的地震能量，提高了原有结构的阻尼，使得建筑结构地震反应得以减轻[1]。近年来，消能减隔震技术以其安全有效，效果显著，价格低廉等优点，被越来越多的工程所采用，并且经受了汶川、芦山等强烈地震的考验，产生了巨大的社会效益。实践证明，消能震技术是一种高效的，经济的，合理的抗震设计方法，能够全面提高建筑结构抵御地震灾害的能力[2]。

本文对位于8度(0.2g)区的某中学实验楼进行减震分析，减震设计采用国际通用的三维空间弹塑性有限元设计软件ETABS,Midas-Gen对结构进行建模分析。用时程分析方法对该结构进行多遇地震和罕遇地震作用下，减震前后框架结构的层间剪力，层间位移角进行对比分析，以验证黏滞阻尼器的减震效果。

1 工程概况及阻尼器的布设

本项目位于8度区，工程总体概况如下：主体结构总高度12.15 m，室内外高差0.45 m，建筑占地面积：1 018.27 m2，总建筑面积：3 054.80 m2。地上3层，层高均为3.9 m。

该建筑结构形式：钢筋混凝土框架结构；抗震设防类别：重点设防；设计使用年限：50年；建筑类别：乙类；抗震设防烈度：8度(0.2g)；设计地震分组：第三组；建筑场地类别：Ⅲ类。

根据《建筑消能减震技术规程》[3]和《建筑抗震设计规范》[4]，并结合本工程建筑结构布置情况，在建筑主轴线附近布置适当数量的人字撑式阻尼器，如图1所示。阻尼器类型有三种，分别布设在对应楼层上，数量及参数如表1所示。

表1 黏滞阻尼器参数

类型阻尼指数阻尼系数CkN·m/s最大行程mm最大阻尼力kN楼层数量个A0．3500±7055014B0．3500±5555024C0．3500±3055034

2 多遇地震作用下结构的时程响应分析

本结构采用时程分析法计算，将ETABS与SATWE减震前模型计算得到的质量、周期和层间剪力进行对比，以保证用于本工程减震分析计算的ETABS模型与SATWE模型的一致性。

2.1 时程分析地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》[4]相关规定，本工程设计选用NRG波、CPC16波和rgb波共3条。对三种波在频域内的综合调整，使得各条波与规范[4]相对应的不同水准设计谱基本一致，对比结果如图2所示。

对未进行减震设计的结构进行了时程分析和反应谱分析，得到结构楼层的地震剪力，列于表2。由表2可以看出，时程计算的楼层剪力平均值和振型分解反应谱法计算结果基本一致，说明所选的三种地震波符合要求。

表2 8度(0.2g)多遇地震作用下基底剪力

工况反应谱NRGCPC16rgb时程平均值剪力kNX60256401760063286776Y59386250723264466643比例%X100106126105112Y100105122109112

2.2 多遇地震作用下结构的时程响应分析

利用ETABS软件分别计算三种地震波作用下结构的层间剪力、位移角，取平均值后与减震前结构的层间剪力、位移角对比分析，对比结果如图3，图4所示。

如图3所示，减震前，各楼层X方向层间剪力分别是6.7 MN，5.2 MN，2.8 MN；减震后，层间剪力分别是4.7 MN，3.5 MN，1.8 MN，各楼层X方向的层间剪力明显降低，最大降幅达40%。如图4所示，减震前，各楼层Y方向层间剪力分别是6.6 MN，5.0 MN，2.7 MN；减震后层间剪力分别是4.7 MN，3.5 MN，1.9 MN，各楼层Y方向的层间剪力有明显的降低，最大降幅达36%。

如图5所示，减震前，各楼层X方向层间位移角分别是0.001 8，0.001 6，0.000 9，层间位移角均满足规范[4]要求，减震后，各楼层X方向层间位移角分别是0.001 1，0.000 9，0.000 5，设置黏滞阻尼器后，层间位移角降低明显，最大降幅达44%。如图6所示，减震前，各楼层Y方向层间位移角分别是0.001 9，0.001 7，0.001 0；减震后层间位移角分别是0.001 2，0.001 0，0.000 6，由图6可见，设置黏滞阻尼器后，楼层Y方向层间位移角降低明显，最大降幅可达48%。

3 罕遇地震作用下结构的时程响应分析

同样将Midas-Gen模型与PKPM模型中周期、质量、层间剪力进行对比，确保两个模型的相应数据基本相同，使所建立的Midas-Gen模型符合要求。

罕遇地震作用下，结构在进行减震前后的X,Y方向上的层间位移角如图7,图8所示，在罕遇地震工况下结构的层间位移角均小于弹塑性层间位移角限值1/50，在楼层设置黏滞阻尼器后，楼层层间位移角均有明显的降低，最大降低幅度可达22%。

4 结语

在框架结构中应用了黏滞阻尼器消能减震技术，并对该结构的减震效果进行了数值模拟分析，得出以下结论：

1)在多遇地震作用下，结构在两方向上的层间剪力、层间位移角均有明显的降低，最大降幅在40%以上。

2)在罕遇地震作用下，层间位移角有明显的降低，最大降幅可达22%，说明应用了黏滞阻尼器的框架结构具有良好的抗震性能。

[1] 秦 容，谢肖礼.高层建筑结构弹塑性分析的新方法[J].土木工程学报，1994,27(6)：3-10.

[2] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社,1997.

[3] JGJ 297—2013,建筑消能减震技术规程[S].

[4] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].