某办公楼采用黏滞消能器的消能减震设计

王成志 沈 婷 魏结强 潘庆祥

(浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

0 引言

中国是世界上地震灾害最严重的国家之一，如何提高房屋的抗震性能已经成为工程设计中需要解决的关键问题。传统的设计思路是通过结构抗侧力构件进行抗震，在高烈度区，需要较大的构件截面去抵抗地震，甚至需要改变结构体系(如增加抗震墙)。这种“硬抗”地震的方式需要结构提供足够的刚度，但这样又会进一步加剧地震反应。消能减震技术另辟蹊径，通过设置消能器来耗散地震输入能量，以“消”代“抗”，为结构抗震提供了新的解决方案。近年来，消能减震技术越来越多的应用于建筑工程中。与相应的非消能减震结构相比，消能减震结构可减少地震反应20%～40%左右，从而增加结构抗震能力，保护主体结构的安全[1]。本工程即采用黏滞消能器进行消能减震设计。

1 工程概况

本工程建筑功能为科研办公，地上12层，地下1层，标准层层高4.5 m，房屋高度51.9 m，建筑面积23 928 m2。结构采用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙体系，抗震设防类别为丙类，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，建筑场地为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为二级，基本风压为0.35 kN/m2，地面粗糙度类别为B类，结构模型如图1所示。

方案阶段采用传统的框架—抗震墙结构体系进行试算，需要将Y向抗震墙加厚至500 mm，框架柱截面加大到1 200 mm才能使得Y向层间位移角满足规范[2]要求，但这种通过增加结构刚度来硬抗地震的做法进一步导致结构地震反应加大，配筋量也显著增加，甚至有一部分抗侧力构件超筋。传统的抗震方案使得工程造价提高，大震下结构的安全度降低，建筑使用功能也受到限制，这是业主和设计师不希望看到的。因此，本工程决定引入消能减震技术，通过“抗震”和“减震”两种方式抵御地震作用，以满足规范和设计要求。

2 结构消能减震方案

2.1 消能器类型的选择

消能器根据力学性能不同可分为黏滞消能器、黏弹性消能器、摩擦消能器、金属消能器、屈曲约束支撑等，它们都是通过附加阻尼来耗散地震能量。区别于其他四种消能器，黏滞消能器单纯提供阻尼而不附加刚度，一般不会改变结构的动力特性和受力体系。本工程体型规则，没有明显的薄弱层，采用框架—剪力墙体系已经提供了相当的刚度，结构变形较大的根本原因是地震烈度较高，因此采用黏滞消能器这种无刚度的消能减震方案尤其适合，一方面能提供较大的阻尼进行消能减震，另一方面不会增加结构刚度而使得地震反应加剧或刚度突变形成新的薄弱层。因此本工程决定采用黏滞消能器进行消能减震设计。

2.2 消能器布置

消能器的布置宜遵循均匀、对称的原则，避免产生扭转效应；对于竖向规则的建筑，要尽量从下到上均匀布置[3]。本工程体型规则，无刚度突变楼层，综合考虑建筑使用功能和优化计算结果，决定从下到上每层沿X，Y两个方向各布置2套黏滞阻尼器，共计48套，消能器布置情况如表1所示，消能器平面位置及支撑方式如图2，图3所示。

表1 各楼层消能器布置

2.3 消能器参数

黏滞消能器的力学行为可以采用Maxwell模型来描述，消能器的阻尼力和变形之间的数学表达可采用下式[4]:

F=CVα

(1)

其中，C为阻尼系数；V为消能器变形速率；α为阻尼指数。阻尼指数α越小耗能效果越好，但α过小会使消能器内部产生高压和射流，从而使得消能器性能不稳定，因此一般在0.2～0.4范围内取值，本工程取为0.3。对原始框架—剪力墙结构进行反应谱计算，结果显示中间楼层变形较大，为充分发挥消能器减震效率，对4层～9层的消能器选择较大的阻尼系数(C=1 500 kN·(m/s)-0.3)。消能器的具体参数如表2所示。

表2 黏滞消能器参数

2.4 抗震设防目标

与传统抗震结构相比，消能减震结构依靠消能器良好的耗能能力，在不改变结构布置和形式的情况下可以实现更高的抗震设防目标[3]。本工程的抗震设防目标定为：多遇地震时消能器即发挥耗能能力，主体结构保持弹性；设防地震下消能器充分发挥耗能能力，主体结构可能损坏，经一般修理或不需要修理仍可继续使用；罕遇地震作用下消能器发挥最大功能，主体结构不发生严重破坏，弹塑性层间位移角不超过1/120。

3 地震作用下的结构消能减震分析

动力时程分析能够直接输入地震动来模拟结构和消能器在地震下的真实反应，计算结果直接明了，建议作为消能减震结构的主要分析方法。本工程采用YJK软件进行小震弹性时程分析和大震动力弹塑性时程分析，考虑到建模时往往忽略掉黏滞消能器的线性有效刚度，为减小计算误差，积分方法选择Newmark直接积分法；弹塑性分析时梁、柱、斜撑采用纤维束模型，剪力墙和楼板采用分层壳模型。为提高计算结果的可靠性，按规范[2]要求选取7条加速度时程曲线进行分析，其中5条为实际强震记录，2条人工模拟的时程曲线，最终取7组时程分析结果的平均值作为地震反应标准值。下文中未布置消能器的结构定义为无控结构，附加消能器的结构定义为有控结构。

3.1 多遇地震作用下结构弹性时程分析

对无控结构和有控结构分别进行多遇地震作用下的弹性时程分析，并与无控结构反应谱分析结果进行比较，将主要的计算结果(楼层剪力、结构变形等)列于表3，结构楼层曲线见图4。

表3 多遇地震作用下结构时程分析结果

从表3中可以看出，无控结构时程分析结果略小于反应谱分析结果，但差别基本在10%以内；两种分析方法均表明无控结构Y向层间位移角大于1/800，不满足规范的弹性目标要求。减震前后的时程分析结果对比显示，有控结构的基底剪力、楼层位移有了很大程度的降低，层间位移角也能满足弹性目标要求，表明黏滞消能器在多遇地震下已经发挥了很好的减震效果。各楼层的层剪力减震率如表4所示，X，Y两个方向的减震率相当，大部分楼层剪力减震率在30%以上。

表4 多遇地震下各楼层的层剪力减震率 %

3.2 罕遇地震作用下结构弹塑性时程分析

对结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，以期得到以下结果：1)通过减震前后结果对比考察消能器的减震效果；2)查看有控模型的层间变形和屈服机制，判定减震方案是否能够实现预定的设防目标；3)读取消能器的最大阻尼力、极限速度、极限位移等结果进行消能器设计；4)读取与消能器相连的支撑及消能子结构构件内力，进行消能部件和消能子结构设计。现将动力弹塑性时程分析的主要计算结果列于表5。

表5 罕遇地震下结构动力弹塑性时程分析结果

从表5可以看出，无控结构顶部Y向最大位移488 mm，层间位移角1/91也超过了规范允许值，说明无控结构在大震下发生了很大的变形，已经接近倒塌。设置阻尼器后，有控结构的变形得到了很好的控制，层间位移角也能满足预设的性能目标要求(≤1/120)，基底剪力有了显著降低。Artwave-RH1TG055波罕遇地震作用下6层阻尼器的滞回曲线如图5所示，从图5中可以看出，阻尼器的滞回曲线饱满，阻尼器最大出力711 kN，最大行程不超过±18 mm，耗能效果良好。

3.3 等效附加阻尼比

黏滞消能器理论上不提供静刚度，而仅仅通过附加阻尼来耗散结构的地震输入能量，因此可以采用附加等效阻尼比来评价减震效果，这样也方便采用振型分解反应谱法进行主体结构的设计。《消能减震技术规程》基于能量和等效线性化方法，提出消能器的等效附加阻尼比ξa可以按照式(2)进行估算：

(2)

其中，Wcj为第j个消能部件在结构预期层间位移Δuj下往复循环一周所消耗的能量；Ws为设置消能部件的结构在预期位移下的总变形能。

按照上式算得的结构多遇地震下X向等效附加阻尼比为6.5%，Y向等效附加阻尼比为6.3%。取X,Y两个方向较小值作为附加阻尼比，则有控结构总阻尼比为11.3%。将多遇地震下11.3%阻尼比的无控结构和布置消能器的有控结构计算指标进行对比，如表6所示。计算结果表明，11.3%阻尼比的无控结构反应谱分析结果比有控结构时程分析结果偏大，这说明采用规范方法计算的附加阻尼比是偏安全的。考虑到消能器性能偏差、连接安装缺陷等不利因素影响，将上述附加阻尼比进行适当折减，折减系数取0.8，最终等效附加阻尼比取为5%。

表6 多遇地震下结构减震效果分析对比

4 结语

本工程经过多轮方案比选，最终采用黏滞消能器进行消能减震设计。对减震前后的时程分析结果进行对比，表明有控结构的地震反应显著降低，消能器减震效果良好。对有控模型进行大震弹塑性时程分析，层间位移角小于1/120目标，减震方案能够实现预定的设防目标。多遇地震下消能器的等效附加阻尼比偏安全的取为5%，主体结构可按10%的总阻尼比进行反应谱分析和设计。研究表明，消能减震技术对于高烈度区的房屋抗震设计具有重要的应用价值。