金属阻尼器在框架结构抗震设计的应用研究

黄 洁，姚 激，蒋 欣，袁 磊，王可花

(1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500； 2.云南建设学校，云南 大理 671000； 3.山东新达工程设计有限公司，山东 潍坊 677000)

0 前 言

医院门诊楼由于使用功能复杂，加上人们对建筑艺术效果的诉求，导则这类建筑结构不规则性问题较为突出。如何提高这类建筑在地震作用下的安全性，值得广大结构设计师与科研工作者思考。提高不规则性建筑结构的抗震性能传统的方法是增大构件截面尺寸，这种方法在提高结构的刚度的同时，也会因为结构质量与刚度增加而导致结构遭受的地震作用显著增加。近些年来，人们研发了各种类型的减震阻尼器，每种阻尼器的减震作用原理有差异，减震效果也不相同。其中金属阻尼器[1-2]具有一定的抗侧移刚度，合理布置后可以改善结构整体的侧向刚度分布，且安装方便，因此在结构抗震中有较广泛的应用。

云南某医院门诊楼采用现浇钢筋混凝土框架结构，结构存在三项不规则，本文以该建筑为研究对象，通过在结构上布置剪切型金属阻尼器[3]，研究金属阻尼器在改善结构的不规则性以及提高结构抗震性能的作用效果。

1 工程简介

门诊楼为现浇钢筋混凝土框架结构，建筑总高为21.55 m，一层地下层，地上5层，第6层为出屋面楼梯间，地上总面积为18 014.83 m2。框架梁主要尺寸为350 mm×700 mm、300 mm×600 mm等，框架柱主要截面为700 mm×700 mm、600 mm×600 mm、500 mm×500 mm等。构件采用 C30、C35两种混凝土。结构梁柱主筋、箍筋均采用HRB400级钢筋，其他采用HRB300级的钢筋。抗震设防烈度7度(0.10g)，Ⅱ类场地，设计地震分组为一组，特征周期为0.35 s。建筑设计使用年限为50年，建筑耐火等级为二级。

2 结构规则性分析

通过建筑图分析可知，由于中庭采光需要，项目中部楼板开洞面积较大，存在楼板不连续；另外由于建筑外观与功能的需要，建筑凹凸不规则。采用YJK软件分别建立原结构模型，通过分析得到:T1=0.9 640 s；T2=0.9 485 s；T3=0.850 9 s。第1扭转周期(0.8509)/第1平动周期(0.9640)=0.88。在具有偶然偏心的规定水平力作用下，Y方向楼层两端抗侧力构件弹性水平位移的最大值与平均值的比值为1.27，发生在结构第5层，大于1.2，属于扭转不规则。考虑到质量或刚度偏心的不规则结构在地震作用下会发生侧扭耦联反应，造成结构抗震性能退化。研究决定采用在结构上布置剪切型金属阻尼器，剪切型金属阻尼器可以提供侧移刚度，从而改善结构的不规则性，另外剪切型金属阻尼器在地震作用下屈服耗能，也提高结构的地震作用下的安全性。剪切型金属阻尼器布置方案如图1所示，布置1～4层，其中1～3层每层28个，4层24个，总计108个。剪切型金属阻尼器通过上、下钢筋混凝土悬臂与主框架梁相连。金属阻尼器参数见表1。

图1 阻尼器布置图

表1 金属阻尼器参数

在建立YJK减震模型时，采用钢扁柱代替金属阻尼器与上、下钢筋混凝土悬臂系统。钢扁柱的侧移刚度与金属阻尼器和上、下钢筋混凝土悬臂组成的系统侧移刚度基本接近。在建立YJK减震模型以下称为等待模型。采用YJK软件，分析得到:T1=0.8 364 s；T2=0.8 238 s； T3=0.7 519 s。第1扭转周期(0.7 519)/第1平动周期(0.8 364)=0.90。布置金属阻尼器，增加了结构的刚度，因此等代结构的周期要小于原结构相应周期。等代结构的周期比满足规范要求。另外，等代结构楼层两端抗侧力构件弹性水平位移的最大值与平均值的比值为1.23，发生在结构第5层，等待结构的扭转位移比较原结构的扭转位移比略有减少，但是结构仍然属于扭转不规则。

3 减震结构时程分析

根据YJK软件计算结果可知，当在结构上布置剪切型金属阻尼器后，可以改善结构的扭转不规则性。对于布置方案，减震结构在多遇地震与罕遇地震作用下的力学响应是否满足规范要求，剪切型金属阻尼器的力学参数取值，均需要进行有限元时程分析得到。

3.1 有限元模型

考虑到布置剪切型金属阻尼器的减震结构需要在有限元软件Midas gen完成分析。将YJK软件建立的模型导入有限元软件Midas gen，对比两个软件模型差异满足设计要求后，基于Midas gen软件中，在指定位置布置剪切型金属阻尼器，采用滞后系统-非线性弹性支承来模拟剪切型金属阻尼器，采用平面单元模拟混凝土悬臂墙，得到减震模型，如图2所示。

图2 减震分析模型

3.2 地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2011)[4]5.1.2条规定，根据建设场地条件与结构的周期，选取了实际两条天然地震波加速度时程曲线和一条人工模拟地震加速度时程曲线。本工程时程分析选择的地震波时程曲线见图3。

图3 地震加速度时程曲线

三条地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在结构的前三阶周期上的误差最大为15%，小于20%。采用有限元软件Midas gen，多遇地震下时程分析得到结构的底部剪力与振型分解反应谱法分析得到的底部剪力对比也满足规范要求，这表明选取的三条地震波合理，可以用于本项目结构的减震分析。

3.3 多遇地震作用下的弹性时程分析

仅考虑剪切型金属阻尼器的非线性，采用快速非线性分析法，分别输入3.2节中的地震波，依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2011)[4]5.1.2条第3款规定，地震波的峰值加速度为35 cm/s2，对模型进行多遇地震作用下的弹性时程分析。考虑到分析模型为有斜交抗侧力构件结构，最终地震波输入方向分为正交方向与沿35°与145°方向，分析得到减震结构的地震响应。见表2～4。

表2 减震结构层间位移角(1/rad)(正交方向)

表3 减震结构层间位移角(1/rad)(35°方向)

表4 减震结构层间位移角(1/rad)(145°方向)

从表2～4可以看出，减震结构的层间位移角X方向最大值为1/1187，Y方向最大值为1/905，均小于1/550，满足规范要求。正交和斜交方向地震作用下的位移角分析可知，地震作用最不利方向为正交方向，以下研究以正交方向地震输入为主。

表5给出了楼层金属阻尼器最大阻尼力与该楼层屈服剪力的比值。从表5可以看出，减震结构布置阻尼器的楼层中，阻尼器的最大阻尼力在水平方向上分量之和不大于楼层层间屈服剪力的60%，满足《建筑消能减震技术规程》[5](JGJ 297—2013)第6.2.2条要求。

表5 阻尼器最大阻尼力与楼层屈服剪力的比值

另外，多遇地震作用下，大部分阻尼器处于弹性状态。即多遇地震作用下，金属阻尼器不为结构提供附加阻尼比，为结构提供侧移刚度。

3.4 罕遇地震作用下的弹性时程分析

在利用Midas，对减震结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析时，金属阻尼器采用采用滞后系统-非线性弹性支承，对于主框架梁、柱设置Midas自带的非弹性集中铰。Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法, 依据抗震规范[4]，地震波的峰值加速度调整为220 cm/s2。分析得到结构的层间位移角如表6所示。

表6 减震结构层间位移角(rad)

从表6可以看出，减震结构的层间位移角X方向最大值为1/217，Y方向最大值为1/109，均小于1/50，满足规范要求[4]，且具有较大的富余。

罕遇地震作用下，所有金属阻尼器均已经屈服。典型金属阻尼器的滞回曲线如图4所示。从图4可以看出，金属阻尼器的滞回曲线呈现出二阶折线受力模式，屈服后平台段较长，表明金属阻尼器延性很好。金属阻尼器的滞回曲线饱满，表明在罕遇地震作用下，金属阻尼器耗能显著。

(a)阻尼器2(RH1波X向)

(b)阻尼器71(RH1波Y向)图4 金属阻尼器滞回曲线

通过多遇地震与罕遇地震的时程分析，最终得到金属阻尼器的参数见表7。

表7 金属阻尼器性能规格表

4 结 论

1)通过在结构主框架梁上布置剪切型金属阻尼器，可以改善结构扭转不规则性带来的不利影响，但是作用效果不显著。

2)在多遇地震作用下，剪切型金属阻尼器为不规则结构贡献侧移刚度，保证不规则结构多遇地震下满足弹性要求；在罕遇地震作用下，剪切型金属阻尼器先于主体结构屈服，消散输入的地震能量，同时也为不规则结构贡献一定的侧移刚度，从而减轻了主体结构遭受的地震作用。布置剪切型金属阻尼器可以提高不规则结构在地震作用下的安全性。

3)通过多遇地震下的弹性时程分析与罕遇地震作用下弹塑性时程分析，研究得到本项目的金属阻尼器力学参数。

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