采用粘滞阻尼器的某口腔门诊楼消能减震设计

白谨玮 潘文 张田庆

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.昆明理工大学工程抗震研究所 昆明 650500；3.中国建筑第二工程局有限公司 昆明 650501)

0 引言

消能减震[1]在改善并提高建筑抗震性能方面起着关键作用。如何准确评价消能减震装置的减震效果是减震结构设计中的首要问题。在减震结构进行设计中，我们可以在新的减震设计和传统的抗震设计之间引入附加阻尼比[2]，这样当我们在抗震设计中遇到新问题时，就可以有效运用众所周知的抗震设计方法来解决。在减震结构强度的设计中，为了确定减震后的抗震作用，可依据附加阻尼比考虑耗能阻尼器的影响，减震前后的减震效果则能够根据结构位移和楼板剪力来反映。

1 工程概况及结构设计方案

1.1 工程概况

本项目位于云南省，建筑用途为口腔门诊楼。该门诊楼的建筑高度为21 m，整体结构为框架结构,地面结构为5层，如图1所示。

依据规范《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)[3]，该门诊楼结构设计使用年限为50 a，安全等级为一级，建筑物抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为7度(0.15g)，地震分组为第三组，场地类别为II类，整栋建筑物的抗震等级为二级。不利因素：场地处于边坡，根据规范规定，考虑边坡放大系数1.4。

图1 口腔门诊楼的结构模型

1.2 结构设计方案

本工程主体结构设计和以后的施工图设计都贯穿了强柱弱梁、强剪弱弯的原则，本次楼梯的加固和连接按规范要求进行加强。结构单元平面形状呈不规则形状，设计应符合《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[4]的要求，并且设计系数应尽量满足规范中大于1.2的要求，但不应大于1.4的限制，且竖向规则、侧向刚度、楼板承载力不突变，不出现薄弱层。

消能构件:粘滞阻尼器作为耗能构件用于本工程抗震设计，目的是为结构提供一定的附加阻尼比而进一步减小输入的地震作用。

2 消能减震方案

2.1 消能减震方案

该门诊楼采用粘滞阻尼器[5]作为其消能减震装置。该装置解决了常规直接地震计算中遇到的各种问题。虽然在建筑结构中加入减震器使得投资加大，但提高了整体结构的安全性，增强了建筑的抗震能力。同时，建筑结构中减震器的安装减少了结构中钢筋和混凝土的用量，降低了结构主体部分的成本，安全且经济。

从功能和研究发展历史来看，粘滞阻尼器具有以下优点:

(1)粘滞阻尼器在其他领域已经发展了很长时间，表明其具有良好的可用性和可行性，具有丰富的设计经验。

(2)一般的阻尼器需要经常检查维修，大地震后更经常需要更换，而粘滞阻尼器基本不需要维修，可以长期放置。地震后，原则上不会损坏阻尼器，不需要更换，可以继续使用，即使需要更换，也很容易。

(3)粘滞阻尼器属耗能装置，因此在消能过程中温度会有一个上升或下降，但温度的变化对粘滞阻尼器的消能功能方面不会有太大影响。

(4)在被动装置的耗能系统中，粘滞阻尼器是一种速度相关型的耗能装置，不会增加结构刚度，导致结构周期缩短。结构的阻尼比只受粘滞阻尼器影响，不增加刚度而直接影响结构周期。

2.2 结构减震目标和性能目标

消能减振器连接部件及节点的减震目标、性能目标及设计方法见表1、表2。

表1 层间位移角限值

表2 结构性能目标及设计方法

3 消能减震器布置方案

减振器的位置：在楼层平面内布置遵循“均匀、分散、对称”的原则，每层布置位置相同，具体位置见图2，阻尼器示意见图3。

图2 减震器平面布置

图3 减震器示意

为了方便查看各个减震器的力和位移情况，将每层减震器进行编号，如表3所示。编号命名规则：方向-楼层(建筑楼层)-减震器型式-序号。例如：x-i-Q-2意思是x向第i层墙式粘滞阻尼器2号，其中：Q表示墙式阻尼器。

表3 减震器编号

4 模型的建立与对比

该门诊楼为钢筋混凝土框架结构。该模型是根据PKPM模型得到的，由PKPM软件导入SAP。模型结果如图4所示。

比较了SAP和PKPM计算的质量、周期和层间剪力、层间位移和层间位移角，以此来检验建立的结构模型的准确性，如表4、表5所示。SAP2000、PKPM计算的结构质量分别为3 190、3 229 t，差值为(3229-3190)/3190=1.22%。

图4 SAP2000模型

表4 结构周期对比(前三阶)

表5 结构地震剪力对比

结合对比计算分析结果，各层结构质量、周期、剪力差异不大，所以两个软件建立的模型基本一致。

5 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中第5.1.2条，当采用时程分析法时，应根据该门诊楼所处的建筑场地类别和设计地震分组选择实际强震记录和人工模拟加速度时程曲线，其中实际强震记录数不应少于总数的2/3。在弹性时程分析中，每条时程曲线计算的结构底部剪力不应小于模态分解反应谱法计算的65%，多条时程曲线计算的结构底部平均剪力不应小于模态分解反应谱法计算的80%。这样做的意义在于使时程分析结果满足最低安全管理要求，但计算结果不宜过大，每个地震波的输入计算不宜大于135%，平均值不宜大于120%。本工程共选取了实际5条强震记录和2条人工加速度时程曲线，如表6、表7所示。

表6 非减震结构底部剪力对比 kN

表7 地震波信息

地震波的反应谱曲线及加速度时程曲线如图5、图6所示。

图5 地震波的反应谱曲线

6 弹性时程分析

本项目利用PKPM建立结构模型，然后利用SAP2000建立弹塑性时程分析[7]的减震和非减震结构模型，其中SAP模型中的粘性阻尼器采用非线性元件Damper模拟[8]。结合计算分析结果，表8、表9、表10分别为运算分析后得出的减震与非减震结构x向和y向的楼层剪力比、楼层层间位移比和楼层层间位移角。

图6 加速度时程曲线

表8 层间剪力比对比

表9 楼层层间位移比对比

表10 楼层层间位移角 1/rad

7 结构弹塑性时程分析

7.1 建立大震模型

运用SAP2000建立该门诊楼减震结构并运行弹塑性分析，在SAP2000中，使用连接单元Damper准确模拟粘滞阻尼器，主体结构框架梁、柱均定义塑性铰[9]。

根据规范在弹塑性时程分析中对所选的地震波进行调幅。并选取其中3条地震波数据信息进行大震分析，取该3条地震波包络值作为分析结果。

为了分析结构在不同地震波、不同地震输入方向作用下结构的弹塑性性能，如层间位移角、地震剪力、位移、塑性铰分布等，需要在分析单向地震输入作用下结构弹塑性动力性能的基础上得出结构地震作用响应结果，结构弹塑性时程分析结果如表11、表12所示。

表11 大震下非减震和减震的x向结构层间位移

表12 大震下非减震和减震的结构层间位移角 1/rad

7.2 结构出铰情况

依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)所得，结构在地震作用下必须具有合理的耗能机制，容许结构在大震作用下部分构件进入塑性,其目的是为了能够保障“大震不倒”这一原则。结构耗能与结构出铰情况及出铰顺序有关。

579号波在弹塑性分析过程中结构的变化如图7、图8所示。

(a)结构在第610步出绞情况 (b)结构在第700步出绞情况 (c)结构在第1 000步出绞情况

(d)结构在第1 500步出绞情况 (e)结构整体在第1 500步出绞情况

(a)结构在第610步出绞情况 (b)结构在第700步出绞情况 (c)结构在第1 000步出绞情况

(d)结构在第1 500步出绞情况 (e)结构整体在第1 500步出绞情况

8 结论

(1)结构主体在小震作用下具有弹性，粘滞阻尼器在小震作用下贡献了附加阻尼比，因此在小震作用下开始屈服并消耗能量。

(2)罕遇地震，构件开始进入塑性，框架梁先有梁铰，柱有柱铰，所以结构满足“强柱弱梁”的要求。

(3)在大地震作用下进入塑性并出现塑性铰的只有部分结构构件。层间位移角在x方向为1/169，在y方向为1/161。结果表明，添加了粘滞阻尼器的结构保障了结构的安全性，具备了良好的抗震耗能机制，达到了预期的目标。

(4)在罕遇地震下，所有阻尼器均进入一个塑性滞回耗能状态，在降低能耗方面起到了很好的作用，为主体结构提供了安全技术保障。