金属阻尼器在高烈度区高层中的设计分析

陈柏宇，杨群京

（云南正元安泰建设工程设计咨询有限公司，昆明650000)

1 引言

自2016 年12 月1 日“云南省隔震减震建筑工程促进规定”（《云南省人民政府令》第202 号）施行以来，减震技术作为一种有效的被动抗震手段，在云南高烈度地区得到了较大规模的应用。金属阻尼器为位移相关型阻尼器中运用较广泛的一种（主要为剪切型金属器），一般小震下会屈服耗能，提供附加阻尼比，并能为主体结构提供一定的初始附加刚度，对于刚度偏小，小震下变形较大结构较适用。本文以昆明8 度区某高层框架-剪力墙工程为实例，介绍了金属阻尼器减震设计并针对相关问题进行了探讨。

2 工程概况及结构选型

工程位于云南省昆明市，抗震设防烈度8 度（0.2g），设计地震分组为第三组，Ⅱ类场地，采用框架-剪力墙结构。地上13层，地下1 层全埋地下室，建筑长156m，宽19.7m，高49.7m。建筑使用功能为医疗用房，为重点设防类建筑。结构选型在框架、剪力墙及框架-剪力墙结构中选择了框架-剪力墙结构，避免了框架结构抗侧力刚度弱及剪力墙影响建筑功能使用的不利因素。结构体系中剪力墙布置尽量利用了端部及中间的楼电梯位置，形成3 个刚度较大的筒体，增加了结构整体刚度，减少两端的振动不同步的扭转作用。隔震、减震方案选择了减震，隔震需单独设隔震层，且建筑高度、高宽比等较大，不适合隔震。减震方案布置灵活，不影响建筑功能，经济性更佳。

3 减震设计流程及目标

3.1 设计流程

位移型剪切软钢消能器为金属阻尼器中最为常用的一种，其阻尼力主要是由软钢的塑性应变量，即塑性位移决定。本工程的减震设计流程为：初定减震目标→YJK 初步建模→确定附加阻尼比及附加刚度→确定阻尼器布置方案→建立结构弹性模型→合理选择地震波及模拟阻尼器→弹性时程分析（FNA 法）→复核附加阻尼比→中、大震弹塑性时程分析（直接积分法）→复核减震目标是否实现→消能部件设计。

3.2 目标及性能目标

进行减震设计时，首先应确定减震的目标及性能目标。目标及性能目标应基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）（下称《抗规》）及JGJ 297—2013《建筑消能减震技术规程》（以下简称《减震规》）的要求，同时，满足罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的水平位移之比应小于0.75 的要求【1】。

3.3 设计原则及方案

消能器在楼层平面内的布置应遵循“均匀、分散、对称、周边”的原则。应尽量考虑不影响建筑功能的前提下，安装于便于检查、维修和更换的位置。消能器一般布置在层间位移角最大位置处。基于上述要求，采用了基于墙式连接剪切型金属抗震阻尼器的消能减震方案。阻尼器布置于地上1～10 层，共计320 组墙式连接的剪切型金属抗震阻尼器，均匀布置在结构的X、Y2 个主方向上。选用的阻尼器参数如表1 所示，结构平面及阻尼器布置位置如图1 所示（框架梁间的填充部分为阻尼器）。

表1 阻尼器参数表

图1 结构平面及阻尼器布置图

4 金属阻尼器减震分析手段及结果

4.1 剪切型金属阻尼器模拟

确定附加阻尼比及刚度前，先应进行阻尼器的初步模拟计算。按《减震规》4.1.8 条规定，剪切型金属阻尼器一般可采用双线性恢复力模型。阻尼器连续属性对话框在计算软件（Midasgen）中模拟实施如图2 所示。

图2 金属阻尼器连接属性对话框

4.2 弹性等代刚度设计

按《抗规》12.3.3 条规定：当主体结构基本处于弹性工作阶段时，可采用线性分析方法；消能减震结构的总刚度应为主体结构刚度和消能部件有效刚度的总和。换算阻尼器与连接构件的等效刚度带入PKPM 或YJK 软件中进行反应谱分析，进行小震下的结构整体指标及承载力分析，便于结构设计配筋。阻尼器、连接构件及主结构的刚度分别为Kd、Kb及Kf，阻尼器与连接构件为刚度串联，再与主结构刚度并联，即消能部件刚度

4.3 弹性时程分析（FNA）及弹塑性时程分析（直接积分法）

按《抗规》12.3.3 条规定：对主体结构进入弹塑性阶段，应根据主体结构体系特征，采取静力非线性分析方法或非线性时程分析方法。本工程金属阻尼器在小震屈服呈非线性，设计采用弹性及弹塑性时程分析，模拟阻尼器及主体构件非线性状态。时程分析可按《抗规》5.1.2 条合理地选择地震波，满足一定的统计要求，一般选小震下弹性时程分析地震响应最大的3 条地震波进行大震弹塑性时程分析。小震下时程分析可用FNA 方法，此方法适用于含有有限数量的非线性单元但结构主体保持弹性的时程分析。大震下，部分主体结构构件及阻尼器均会屈服，此时应采用直接积分法，其难点在于合理地选择地震波及建立数值模型。地震波的选择应满足《抗规》5.1.2 条要求，数值模型以Midasgen 为例简述如下：（1）需要建立恢复力模型的骨架曲线，一般设框架梁的塑性铰采用My、Mz方向的弯曲-转角型塑性铰，当构件轴力影响不可忽略时，如墙、柱构件，可以勾选考虑轴力-弯矩（P-M）相关，此种基于截面的模型较基于材料的纤维模型相比，其计算速度快，且试验证明截面模型能更好地拟合钢筋混凝土构件的力学行为；（2）应定义恢复力模型的滞回规则，本工程采用武田模型，其能较为精确地模拟钢筋混凝土构件在反复荷载作用下的弹塑性力学行为；（3）恢复力模型的骨架曲线及滞回规则可综合形成一个完备的恢复力滞回数值模型。

4.4 减震分析结果

本工程按上述减震设计流程及分析手段进行了弹性及弹塑性分析，其结果为：（1）小震地震作用下，结构主体处于弹性状态，金属阻尼器在小震下贡献结构附加阻尼（附加阻尼比为1.5%）和刚度，且屈服耗能，提高了主体安全储备；（2）罕遇地震作用下连梁、框架梁优先出铰，而后极少数的框架柱、剪力墙出现塑性铰，结构总体满足“强柱弱梁”等抗震概念；（3）罕遇地震作用下，X向的层间位移角：减震结构为1/208，非减震结构为1/153，减震/非减震=0.735；Y向的层间位移角：减震结构为1/191，非减震结构为1/141，减震/非减震=0.738，满足“罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的水平位移比小于0.75【2】”要求；（4）在大震弹塑性时程分析中，阻尼器形成饱满的滞回曲线，且最大受力、位移均未达到极限承载力和位移，详见表1，附设了金属阻尼器后，形成了良好的抗震耗能机制，提高了结构主体安全性。

5 金属阻尼器设计相关问题探讨

5.1 金属阻尼器连接属性参数设置

金属阻尼器连接属性对话框一般如图2 所示，简要介绍如下：（1）线性特征值。如图2 应分别填入线性有效刚度及阻尼，对于金属阻尼器小震下屈服，有效刚度应填入阻尼器屈服后的割线刚度；有效阻尼与非线性时程分析无关，此值可默认零值。（2）非线性特征值。如图2 应填入6 个选项值，多数软件只用填入前4 项，后2 项在Midasgen 中可用默认值0.5。非线性刚度为：阻尼器的屈服刚度=屈服力/屈服位移，和产品参数直接相关；屈服强度为阻尼器屈服力，与双线性模型拐点处的力一致；屈服后刚度比为屈服后刚度与初始刚度的比值，金属阻尼器一般为0.02；屈服指数表征构件由屈服前刚度过渡到屈服后刚度的平滑处理程度，建议取值20～30，过大或过小均会造成阻尼器模拟失真。

5.2 金属阻尼器的延性系数

众所周知，延性系数越大，结构在强震作用下可以承受大的塑性变形而不破坏倒塌的能力越强。延性系数对阻尼器耗能能力、减震效率（位移、剪力降低率）影响明显，地震反应降低率Rd、Ra表示成附加体系刚度比Ka/Kf及系统最大延性系数μ 2 个基本参数的连续函数，详见图3【3】。从图3 可推断，系统延性系数μ 在一定范围内增大，系统的位移、剪力降低率均增大。XJJ 075—2016《建筑消能减震应用技术规程》规定，金属屈服型消能器位移达到其设计位移，计算延性系数宜不小于6【4】。根据笔者接触过的产品，建议控制剪切型金属阻尼器设计延性系数为10～30。

图3 金属阻尼器系统减震性能曲线

6 结语

本文通过一高烈度区减震工程实例，分析探讨了金属阻尼器设计的相关问题，并给出建议性结论。减震技术在高烈度地区具有良好的运用前景，本工程设置金属阻尼器增加了结构刚度并形成了良好的抗震耗能机制，实现了结构安全、合理、经济的目标。减震设计相关问题可供类似高烈度地区结构设计参考。