黏滞消能器在工程中的应用分析

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(太原市聚川都市建筑工程设计有限公司，山西 太原 030024)

引言

在消能减震结构中，阻尼装置在主体结构进入耗能状态前率先进入耗能工作状态，耗散了大量输入结构体系的地震、风振能量，使主体结构的地震反应大大减少，从而有效地保护了主体结构，避免使其受到损坏。

消能器种类繁多，大体可分为位移相关型和速度相关型两种。位移相关型消能器的耗能与其自身变形和相对滑动位移有关，常见的有金属屈服消能器和摩擦消能器。速度相关型消能器的阻尼特性与加载频率有关，常用的有黏滞消能器和黏弹性消能器。本文将针对黏滞消能器在工程中的设计过程进行阐述。

1 工程概况

某工程为太原市某双语幼儿园，位于尖草坪区，北临北中环、东临北涧河、西侧为山西某学院、南侧为胜利街。该工程为框架结构，地上三层，地下二层，地上建筑总高度为13.34 m。根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)和工程地质检测结果，拟定工程抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.2g，建筑物场土类别为Ⅲ类；工程抗震等级为一级。

2 减震方案选取

该工程主体结构计算采用北京某软件股份有限公司开发的YJK软件进行。经计算，该结构X方向上地震作用下的最大楼层位移角为1/579，Y方向上地震作用下的最大楼层位移角为1/513。楼层Y方向位移角大于《建筑抗震设计规范》第5.5.1条规定的最大要求1/550。因此，该工程结构必须采取相应措施。同时，根据2014年《山西省住房和城乡建设厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知》(晋建质字〔2014〕115号)的要求，该工程必须采用减震技术。考虑到施工的易操作性和减震技术产生的费用，该工程优先考虑采用减震技术。由于该工程Y方向上地震作用下的最大楼层位移角为1/513，只要略微增加结构的阻尼比或刚度便可满足规范的要求。该工程初步考虑用黏滞消能器增加结构阻尼比，共设消能器八组，其中一、二层各四组，X方向上两组，Y方向上两组。单个消能器的最大阻尼力为400 kN，具体布置位置如图1所示(图中VFD为消能器)。

图1 粘滞阻尼器布置图

3 动力分析采用地震波的选取

在不同地震波的作用下，黏滞消能器耗能不同，因此，不同地震波作用下结构的附加阻尼比也不一样。该工程根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)中5.1.2条规定，选取三条地震波(天然波N0 675、N0 737、人工波R 33)进行计算。弹性时程分析结果与YJK振型分解反应谱分析结果对比见表1，比例为各个时程分析与振型分解反应谱法得到的结构基底剪力之比。

表1 时程分析基底剪力

表1数据符合GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)中5.1.2条规定，故地震波选取正确。

4 弹性时程分析

该项目采用ETABS(v9.7.4)对结构进行多遇地震下的动力特性分析。将建立好的ETABS模型与YJK模型进行质量、周期及基底剪力的对比，具体见表2。

表2 ETABS模型与YJK模型对比

结果表明，所建立的ETABS模型是正确的。

5 附加阻尼比的确定

5.1 根据《建筑抗震设计规范》计算阻尼比

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)中12.3.4条规定，消能部件附加给结构的有效阻尼比，可按下列方法确定。

消能部件附加给结构的有效阻尼比可按(1)式估算：

(1)

不计及扭转影响时，消能减震结构在水平地震作用下的总应变能，可按(2)式估算：

Ws=(1/2)∑Fiui

(2)

5.2 根据《建筑消能减震技术规程》计算阻尼比

根据《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013)的6.3.2条第5款规定，非线性黏滞消能器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量，可按(3)式计算：

Wcj=λ1Fdjmax△uj

(3)

5.3 附加阻尼比的计算结果

附加阻尼比的计算结果见表3。

表3 附加阻尼比的计算结果

根据表3计算结果分析，结构附加阻尼比最小值为7.91%，根据DB JT 04—39—2015《建筑消能减震设计构造》(晋14G08)取折减系数为0.7，最终取值为5.0%

6 多遇地震下消能器性能分析

分别选取X、Y方向的消能器，可绘制其滞回曲线。因黏滞消能器形成饱满的滞回曲线，在多遇地震下是结构耗能的主要构件。因此推断多遇地震下黏滞消能器能够很好地发挥消能减震的作用，能够为结构提供5%的附加阻尼比，是多遇地震时结构的主要耗能构件。

7 弹塑性时程分析

7.1 确定性能目标

构件的性能标准为离散的三个性能点，立即使用、生命安全和防止倒塌。立即使用是指地震后不间断运行，稍加修理后可立即使用；生命安全是指地震后间断运行，经适当修理后可以继续使用；防止倒塌是指地震时严重破坏，但仍未倒塌，地震后几乎不能继续使用。以我国现行相关规范为基础，参照ASCE 41—13性能水准，制定了具体的性能目标，见表4。

表4 构件性能目标

7.2 分析模型

该工程使用PERFORM-3D软件对其进行大震性能评估。PERFORM-3D的钢筋或钢材本构关系有理想弹塑性模型和双线性随动强化模型两种，该工程的钢筋或钢材采用随动强化模型。混凝土不考虑其受拉作用，受压采用Mander模型，以考虑箍筋对混凝土的约束作用，对其强度及延性的提高作用。楼板假定采用刚性楼板，其中梁、柱均采用集中塑性铰模型，梁采用M铰，柱采用PMM铰。消能子结构的梁和柱的弯曲与剪切破坏均采用强度截面进行校核，其中梁采用弯矩和剪力强度截面，柱采用PMM和V强度截面。

该工程选用两条天然波和一条人工波，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)提供的大震加速度峰值为0.40g，X方向和Y方向分量之比调整后分别沿建筑物两个主轴各输入一次，进行时程分析。

7.3 分析结果

7.3.1 整体地震反应评估

根据计算分析在罕遇地震作用下，结构顶部X方向最大位移为0.086 m；Y方向最大位移为0.090 m，结构X方向最大层间位移角为1/133；Y方向最大层间位移角为1/116。最大弹塑性层间位移角均小于《建筑抗震设计规范》的限值1/50，满足大震不倒的抗震设防要求。在罕遇地震作用下，结构X方向最大基底剪力为9 414 kN；Y方向最大基底剪力为9 772 kN。X方向最大基底倾覆力矩为77 977 kN·m；Y方向最大基底倾覆力矩为79 121 kN·m。上述结果说明，结构在罕遇地震作用下已有构件产生塑性变形，结构整体承载力及刚度有所下降，但仍具有一定的刚度和承载能力，保持在大震中不倒。

7.3.2 构件性能评估

框架梁：最大的塑性变形处于有限控制性能段，小于CP性能点。

框架柱：最大的塑性变形处于破坏控制性能段，小于LS性能点。

黏滞消能器：X方向和Y方向黏滞消能器的最大变形均<50 mm，小于其设计位移；最大阻尼力均<400 kN，小于其设计最大阻尼力，在罕遇地震作用下，黏滞消能器仍能够正常工作，发挥耗散能量的作用。

子结构：子结构梁和柱的大震性能目标为满足极限承载力要求，计算弯曲和压弯承载力时，材料强度采用极限值；计算剪切承载力时，材料强度采用标准值。通过计算分析得出，子结构梁的弯曲应力比以及子结构柱的压弯应力比均<1，最大剪力小于受剪承载力，满足大震极限承载力要求。

8 结语

采用减震技术前后结构的技术指标计算结果见表5。

表5 减震前后计算指标及结果对比

通过对结构的整体模型进行弹性和弹塑性时程分析，采用不同地震波分析了结构在X方向和Y方向地震输入时结构的抗震性能。得出以下结论：

8.1 小震作用下，结构主体呈弹性，黏滞消能器开始耗能为结构贡献附加阻尼比。罕遇地震作用下构件开始进入塑性，框架梁优先出现梁铰，而后柱子出现柱铰，结构总体满足强柱弱梁的要求。

8.2 结构在大震作用下，只有部分构件进入塑性，出现塑性铰；表明结构附设了黏滞消能器后，具有良好的抗震耗能机制，保证了建筑结构的安全，达到预期目标。

8.3 罕遇地震作用下，各黏滞消能器发挥了良好的耗能能力，为结构主体提供了良好的安全保证。

8.4 采用减震技术后结构的钢筋含量明显减少，因此采用减震技术有一定经济性。