布置软钢阻尼器结构的减震设计研究——某中学学生宿舍为例

王伟WANG Wei；潘月辉PAN Yue-hui

（①安徽海螺水泥股份有限公司，芜湖 241000；②浙江浙工大检测技术有限公司，杭州 310000）

0 引言

地震是目前还不能短期准确预报的自然灾害，历次大地震都导致大量的房屋破坏，造成了大量的经济损失和人员伤亡。随着经济的发展，人们对建筑结构的抗震性能也就提出了更高的要求。如何进一步提高建筑结构的抗震性能，满足人民对建筑安全性日益增长的需求，值得工程界思考。近些年来，减震技术正逐步成为工程界提高建筑结构的抗震性能的新技术。减震即是在结构合理位置上布置一定数量的消能器，当结构遭受地震作用时，消能器耗能，先于主体结构破坏，从而有效的减轻地震对建筑结构造成的冲击和破坏，保护建筑主体结构的安全，消能器相当于布置在结构上的“保险丝”。

尽管结构的减震设计流程基本相同，但是由于不同种类消能器的消能原理不同，同时每一栋建筑的动力特性及其所处建设场地也不同，导致每一栋建筑减震设计结果存在差异，在阻尼器先于主体结构屈服耗能的要求下，减震分析得到消能器的力学参数仅仅适用于该建筑，这就是结构减震分析的难点。本文以某中学宿舍楼工程为例，布置软钢阻尼器，依据规范要求，采用有限元软件进行时程分析，研究布置软钢阻尼器宿舍楼工程的抗震性能，阐述减震消能技术，为类似工程提供参考。

1 工程概况

安徽某中学学生宿舍地上五层建筑，无地下室。结构体系为钢筋混凝土框架，建筑高度19.95m。建筑总面积为1832m2。抗震设防烈度为7 度（0.1g），地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。设计地震分组: 第三组，特征周期值0.45s，学生宿舍属于乙类建筑，抗震设防类别为重点设防。

考虑到项目为中学学生宿舍，建筑的使用者为弱势群体—学生，需要提高地震作用下的安全性，经过与建设方协商，拟对项目采用减震技术，以进一步提高工程地震安全性。

2 阻尼器的选择与布置

在众多减震产品中，软钢阻尼器采用软钢制作耗能部件，充分利用软钢剪切屈服强度低、延性好等优点，通过合理的产品设计，在地震作用时，软钢阻尼器能够先于主体结构进入屈服状态，利用软钢屈服后的累积塑性变形，来达到消耗输入结构地震能量的目的。软钢阻尼器[1-2]可以提供一定的抗侧刚度，具有延性比大、耗能较大以及经济性好等优点，考虑工程投资，综合比较，本工程拟采用软钢阻尼器作为项目的消能减震器。

软钢阻尼器采用钢筋混凝土悬臂墙（尺寸：长1500mm×宽200mm）与主框架梁相连，这种连接方式阻尼器耗能效率最高且可靠，但是对建筑使用功能有会一定的影响。经过多专业协商，并考虑软钢阻尼器应尽可能布置在地震作用时结构变形较大的位置。通过反复试算，最终确定在楼层的一～三层布置软钢阻尼器，阻尼器布置在结构的端部，该部分地震作用下变形较大。沿结构的两个主轴方向各布置4 个，合计24 个软钢阻尼器。

3 建模与地震波选取

3.1 模型的建立

考虑到当前结构设计是以盈建科软件与PKPM 软件为依据的现状，本项目采用PKPM 软件建立模型，初步分析结果表明结构设计满足相关的国家与地方相应的标准要求。由于PKPM 软件没有模拟阻尼器的单元，且不能进行罕遇地震作用下结构的弹塑性时程分析，研究采用大型有限元Madis Gen 完成宿舍楼的减震分析。使用软件Madis Gen 分别建立原结构模型与减震结构模型，其中减震结构模型如图1 所示。减震结构模型中，梁柱均采用框架梁单元模拟；利用Madis Gen 中非线性弹性支承模拟软钢阻尼器，在软件中需要指定阻尼器的刚度、屈服力、屈服位移；钢筋混凝土悬臂墙采用平面应力单元模拟。

图1 Madis Gen 减震有限元模型

3.2 地震波的选取

时程分析选取2 条实际地震加速度时程和1 条人工模拟加速度时程。这三条地震波的有效持续时间大于结构基本周期的10 倍。采用振型分解反应谱与多遇地震下弹性时程分析，得到原结构的底部剪力如表1 所示。三条地震加速度时程拟合得到加速度反应谱，计算得到原模型的前三阶周期所对应的地震影响系数，并与规范反应谱计算的原模型的前三阶周期所对应的地震影响系数进行对比，如表2 所示。

表1 原结构底部剪力对比

从表1 与表2 的结果可以看出，满足《建筑抗震设计规范》[3]（GB50011-2010）5.1.2 款的规定。因此，三条地震波满足本项目的减震时程分析要求。

表2 三条时程反应谱与规范反应谱曲线对比表

4 结构抗震的时程分析

地震作用下结构的分析，通常采用两阶段的分析方法，即①多遇地震作用下，考虑结构弹性的时程分析，即保证“小震不坏”；②罕遇地震作用下，考虑结构发生部分弹塑性的时程分析，即保证“大震不倒”。两阶段的分析结果均应满足规范[3]相应的规定。

4.1 多遇地震作用下的弹性时程分析

仅考虑软钢阻尼器的非线性，采用快速非线性分析（FNA）法，输入如前所述的三条地震波，对模型进行多遇地震作用下的弹性时程分析，地震波的峰值加速度取35cm/s2。依据类似工程经验，初步选取软钢阻尼器屈服力为200kN，屈服位移为1mm，屈服后刚度比为0.02。减震结构的层间位移角如表3 所示。

从表3 可以看出，增加软钢阻尼器后，结构的层间位移角最大为1/1152，小于1/550，满足规范要求，结构满足“小震不坏”的设防目标。最大层间位移角较规范要求值减少了52.3%，达到预期的减震性能目标，结构存在较高的安全储备，具备抵御较大地震的能力。

表3 减震结构层间位移角（rad）

减震结构软钢阻尼器出力与楼层层间屈服剪力比值，如表4 所示。

由表4 可以看出：对于布置软钢阻尼器的楼层，软钢阻尼器出力与楼层层间屈服剪力比值略大于20%，表明软钢阻尼器承担了部分楼层剪力，但是软钢阻尼器出力之和又小于楼层层间屈服剪力的60%，也表明软钢阻尼器承担的剪力没有过大，满足规范要求[4]。

表4 减震结构阻尼器出力占楼层剪力比值表

另外多遇地震作用下，软钢阻尼器的位移基本小于1mm，表明：在多遇地震作用下，软钢阻尼器没有屈服耗能，仅为结构提供侧移刚度，未给结构提供附加阻尼比。

4.2 罕遇地震作用下的弹塑性时程分析

罕遇地震作用需要考虑结构产生塑性，因此研究对没有布置软钢阻尼器的主框架梁柱设置Midas 自带的非弹性集中铰，梁柱实配主要受力钢筋，形成罕遇地震作用下的分析模型。分别单向输入三条地震波，地震波的峰值加速度调整为220cm/s2，对模型进行罕遇地震下的弹塑性时程分析。

罕遇地震作用下，减震结构的层间位移角计算结果如表5 所示。

表5 减震结构层间位移角

罕遇地震作用下，减震结构的X、Y 向弹塑性最大层间位移角分别为1/264、1/253，均小于1/50，满足规范的限值要求，达到了“大震不倒”的设防目标。最大层间位移角较规范要求提高了80.2%，达到预期的减震性能目标，结构存在较高的安全储备，有抵御较大地震的能力。

罕遇地震作用下，原结构的层间位移角计算结果如表6 所示。原结构的最大层间位移角与减震结构的最大层间位移及二者的比值如表7 所示。

表6 原结构层间位移角

表7 原结构、减震结构最大层间位移角及比值

注：比值=减震结构位移角/原结构位移角×100%.

从表6 可以看出，罕遇地震作用下，原结构的X、Y 向弹塑性最大层间位移角分别为1/171、1/175，均小于1/50，也满足规范的限值要求。从表7 可以看出，减震结构大部分楼层的层间位移小于原结构相应楼层的层间位移。这表明了软钢阻尼器减震的效果较为明显。

图2 为罕遇地震作用下，布置在X 方向与Y 方向软钢阻尼器的典型滞回曲线。从图2 可以看出，软钢阻尼器滞回曲线饱满，包裹的面积较大，表明软钢阻尼器耗能充分，同时这也说明主体结构在地震作用下的安全性有保障。另外罕遇地震作用下结构出铰图也表明，结构首先梁出现塑性铰，然后柱出现塑性铰。对于布置阻尼器的框架梁柱部分，梁柱均未出现塑性铰。

图2 软钢阻尼器滞回曲线

通过对减震模型进行多遇地震作用下弹性时程分析与罕遇地震作用下的弹塑性时程分析分析，研究最终得到了本工程软钢阻尼器的力学参数，如表8 所示。

表8 软钢阻尼器力学参数

5 结论

通过对布置软钢阻尼器的某中学学生宿舍楼进行减震分析研究，得出了布置阻尼器的结构进行减震设计要点，同时减震分析的结果表明：布置软钢阻尼器后，减震结构的层间位移角小于原结构的层间位移角，且满足规范要求，结构的抗震性能得到较大提高，结构有一定的安全冗余量。罕遇地震作用下，软钢阻尼器耗能充分，先于主体结构屈服耗能，对主体结构起到了保护作用。研究也得到了适合本工程减震的软钢阻尼器力学参数，为软钢阻尼器加工生产提供了理论依据。