粘滞阻尼器在某学校宿舍楼减震设计中的应用*

许进飞 赖正聪 白羽

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

随着建筑抗震安全性能要求的日益提高，消能减震技术在建筑抗震领域的应用越来越多[1]。消能减震技术是利用耗能装置(如阻尼器)消耗地震能量，减小主体结构的地震输入，降低整体结构体系的地震响应，进而减轻甚至避免主体结构构架的损伤破坏，是一种可行、有效的抗震策略，已成功应用于实际工程[2-4]。粘滞阻尼器是一种用于结构消能减震的阻尼元件，可降低地震作用进而减小结构尺寸以达到相应要求，而且对建筑外观不造成影响[5]。本文以山西省某学校宿舍楼为工程实例，对消能减震技术的实践应用进行了探讨。

1 工程概况及模型验证

本项目为山西省太原市某学校宿舍楼，主体10层，局部11层，建筑面积及高度分别为3 943.83 m2和32.4 m。采用钢筋混凝土剪力墙作为结构主体，抗震设防烈度为8度(0.02g)，设计地震分组为第二组，Ⅲ类场地，场地特征周期为0.05 s。剪力墙抗震等级为二级，结构周期折减系数为0.98。根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)及建筑工程抗震设防管理的相关要求，该工程属于重点设防类，应采用消能减震设计提高建筑物的安全性与可靠性。经综合考虑，本工程最终选用墙式连接消能器减震技术。

将YJK所建模型导入SAP2000中，对比非减震结构模型的周期及质量等，以校验模型的准确性。YJK与SAP2000所计算的结构模型总质量分别为9 212.30 t和9 483.67 t，相差271.37 t，如表1所示。SAP2000前三阶周期分别为0.501 9、0.437 5、0.354 8 s，YJK前三阶周期分别为0.494 5、0.444 4、0.367 8 s，前三阶周期的最大误差为3.55%，如表2所示，有力地验证了SAP2000模型的正确性。

表1 质量对比

表2 周期对比(前三阶)

2 传统抗震设计与粘滞阻尼器设计比较

传统抗震设计主要通过增大配筋率、改变构架截面面积来实现，而粘滞阻尼器设计能在不改变原有结构的基础上实现抗震能力的大幅度提升。

2.1 传统抗震设计

传统抗震设计主要体现在“抗”字，通过加大结构断面、增大配筋率来抵抗地震力。该方法虽实用、有效，但在实践过程中也逐渐暴露出了问题：

(1)提高“抗震”所需的建筑成本，以8度为例，采用上述方法提升抗震能力所增加的造价为8%～15%。

(2)在建筑物的刚度增大的同时，吸收的地震能量也增大。

(3)在大震作用下，增大截面后难以控制结构弹塑性变形耗散地震能量。

2.2 粘滞阻尼消能减震设计

粘滞阻尼墙可作为墙体安装在结构层间，是利用结构层间的相对运动，使内外钢板之间产生速度梯度引起粘滞材料剪切滞回耗能，达到降低结构动力响应的目的。粘滞阻尼墙具有以下有优点：

(1)易施工，且抗震效果明显。

(2)阻尼力可通过改变粘滞液体的稠度等进行改变。

(3)作用面积大，可吸收较多地震能量。

3 减震结构有限元分析

3.1 模型概述

本工程为钢筋混凝土剪力墙结构，用SAP2000建立减震和非减震结构模型，如图1所示，对其进行结构分析和计算，准确、真实地模拟该结构在地震作用下的动力特性及响应。

图1 SAP2000模型

3.2 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范》(GB 5001—2010)(以下简称《抗规》)规定及工程角度，本文选取5条天然的(T1、T2、T3、T4、T5)、2条人工的(R1、R2)加速度时程曲线对结构进行非线性时程分析。结构在7条时程曲线作用下的基底剪力如表3所示，反应谱与各时程曲线如图2所示。由表3可知，由时程曲线所计算的基底剪力和反应谱计算的基底剪力之比满足规范所要求的65%～135%，且比值接近1，满足规范要求。

表3 各地震波与反应谱计算的基底剪力对比

图2 时程反应谱与规范反应谱曲线

3.3 附加阻尼比的确定

在减震结构设计中，附加阻尼比的确定需预先指定减震结构所需达到的位移减震目标。

据《抗规》12.3.4条，消能部件附加给结构的有效阻尼比可估算为：

(1)

式中，ξa为消能部件给减震结构附加的有效阻尼比；Wcj为第j个消能部件在结构预期层间位移△Uj下往复循环一周所消耗的能量;Ws为减震结构在预期位移下的总应变能，在不考虑扭转的情况下，其值为各质点水平地震作用力标准值与各质点对应水平地震作用力标准值的位移乘积之和的1/2。

根据《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013)，粘滞阻尼器的Wcj可计算为：

Wcj=λ1Fdjmax△uj

(2)

式中，λ1为关于阻尼指数的函数,因按规程中0.2的取值偏保守，故本工程取3.70；Fdjmax为第j个消能器在相应水平地震作用下的最大阻尼力，kN。

对已布置粘滞阻尼器的减震结构，利用SAP2000所提供的快速非线性分析法(FNA)进行弹性时程分析，如表4所示。由表可知，在2条人工波及5条天然波作用下，减震结构的附加阻尼比平均值为X向4.09%、Y向1.86%，总阻尼比(原结构阻尼比与附加阻尼比之和)为X向9.09%、Y向6.86%。

表4 附加阻尼比 单位：%

采用粘滞阻尼器的减震结构在小震作用下的楼层剪力及层间位移角如图3、图4所示。由表3可知，未采取减震构件的结构在地震波作用下，X、Y向基底剪力的时程平均值为11 356、11 486 kN；由图3可知，采取减震措施的时程平均值为6 684、6 186 kN，分别降低了41.14%、46.14%。由图4可知，在小震作用下的X、Y向的最大层间位移角平均值分别为1/3419、1/2465，远小于1/1000。

(a)小震X向层间剪力

3.4 粘滞阻尼器的选型与布置

粘滞阻尼器的选型需考虑下述因素：阻尼系数C、输出阻尼力F、阻尼指数α及极限位移Umax。

阻尼系数C是消能器活塞单位速度运动所产生的阻尼力。阻尼系数越大，则消能器的阻尼力及耗能越大。输出阻尼力F是消能器的吨位。阻尼指数α一般取值在0～1。当α=0时，为理想的滞回曲线，即任意时刻均有输出力F，滞回曲线所包含的面积随α的增大而减小，即耗能减小；当α=1时，滞回曲线呈椭圆状。在α较小时，消能器在低于设计速度的情况下的减震效果会更好；反之，可有效避免消能器所连接主体结构处因受力过大而发生破坏。

(a)小震X向层间位移角

消能器的安装需要根据最大层间位移角及安装数量确定，但整体布局要遵循“均匀、分散、对称”的原则，且某一楼层不能布置太多。本工程共使用44片粘滞阻尼墙，每层8片，其中X、Y向各4片，分别布置在2～7层。平面布置如图5所示(各楼层布置相同)。

图5 消能器平面布置

4 动力弹塑性时程分析

为验证减震结构在大震作用下的减震效果，采用有限元软件SAP2000对其进行动力弹塑性时程分析。在弹性时程分析的基础上选取3条地震波(R1、T1、T4)进行计算，最终结果取3条地震波作用下的包络值。

分别对结构在3条地震波作用下X、Y向进行弹塑性分析，计算得到减震结构在地震作用下的层间位移角及塑性铰分布结果，如表5、图6所示。

由表5可知，在大震作用下该结构X、Y向的最大层间位移角为1/305、1/235，远小于规范所规定的1/120，采用减震措施后大幅提升了建筑的抗震性，降低了人民生命及财产安全的损失。

表5 大震作用下结构层间位移角

为说明结构在弹塑性分析过程中的变化情况，以人工波R1为例，列举了X、Y向的出铰顺序。由图6可以看出，在大震作用下，部分梁出现塑性铰，柱未进入塑性状态，满足规范要求。

(a)X向第52步出铰情况

减震结构R1大震作用下X、Y向弹塑性分析中，粘滞阻尼器的滞回曲线如图7所示。由图可知，粘滞阻尼器的滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力，可为建筑结构安全提供保障。

(a)X向滞回曲线

5 结论

(1)通过对本工程在小震和大震作用下结构的层间位移角、层间剪力、减震结构附加阻尼比及塑性铰的发展状态分析可知，设置粘滞阻尼器后的减震结构，其抗震性能得到大幅提升。

(2)在大震作用下，该结构X、Y向的最大层间位移角为1/305、1/235，远小于规范所规定的1/120。

(3)粘滞阻尼器在大震作用下的滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力，可为建筑结构安全提供保障。