配置粘滞阻尼器的消能减震结构的有限元分析

康 楠

（太原市城乡规划设计研究院，山西 太原 030002）

0 引言

近年来随着经济社会快速发展，建筑结构抗震性能要求越来越高，减震隔震技术日益得到广泛应用。消能减震结构主要是通过在主体结构体系中设置减震装置（阻尼器、屈曲约束支撑等），使其在地震发生时吸收能量，从而降低主体结构体系的地震响应以保护主体结构在地震作用下的结构安全，并有效降低结构构件尺寸及配筋。该技术对高烈度区的重点设防类建筑有显著效果。本文通过对太原某幼儿园建筑的消能减震结构的有限元分析，探讨了粘滞阻尼器在减震结构中的应用。

1 工程概况

工程位于太原市万柏林区，地上3 层（局部2 层顶设室外活动平台），无地下室，1~3 层层高均为3.9m，采用钢筋混凝土框架结构，结构总高度12.6m，总建筑面积为2183.70m2。该结构计算模型主视图如图1。

图1 结构计算模型主视图

拟建工程所处地区抗震设防烈度为8 度（0.20g），设计地震分组为第二组。拟建场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s，建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类），框架结构抗震等级一级。

根据《山西省住房和城乡建设厅关于积极推进建筑工程减隔震技术应用的通知（第115 号）》晋建质字〔2014〕115 号文件要求，抗震设防烈度8 度区的新建幼儿园必须采用减隔震技术。该工程采用配置粘滞阻尼器的消能减震方案进行结构设计。

2 减震设计

2.1 减震设计方法

首先根据建筑条件对该工程使用PKPM 软件进行结构建模计算，初步得到结构整体计算指标，然后使用Etabs 软件进行结构有限元计算与分析。通过对比PKPM 软件和Etabs 软件的非减震模型计算结果可知，Etabs分析软件和PKPM结构软件模型计算得到的质量差值为-0.8%，周期最大差值为-4.24%和主要楼层层间剪力最大差值为3.4%，两者计算结果接近，因此Etabs 软件作为该工程减震分析的有限元计算软件是准确的，可以真实地反映结构基本特性。通过对PKPM非减震模型计算，初步确定该工程结构体系目标阻尼比确定为8%（即附加阻尼比为3%），此时既可满足规范对结构体系的指标要求，又能使得结构构件尺寸及配筋均较为合理。

2.2 阻尼器布置及参数

综合考虑减震目标及建筑功能的需要，共布置9台阻尼器，布置如下：X 方向4 台（第1、2 层各分别布置2 台），Y 方向5 台（第1 层3 台，第2 层2 台）。阻尼器参数如下：型号：NZNQW-500kN-e50，设计阻尼力：500kN，阻尼系数：650kN/（m/s）0.3，阻尼指数：0.3，首层阻尼器平面布置如图2所示。

图2 首层阻尼器平面布置图

2.3 多遇地震作用计算

该工程选取5 条天然波和2 条人工波进行时程分析，7条波平均值与振型分解反应谱法的地震影响系数曲线在统计意义上相符。多组时程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，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。地震波在两个方向基底剪力最小值与最大值分别为反应谱计算结果的86.3%和107.1%，满足规范对差值<±35%的要求，且7条时程曲线：80%＜平均基底剪力均＜120%，满足规范要求，可以用于工程设计。

计算得到的减震结构在多遇地震作用下各层层间位移角见表1 所示，由表1 可知计算结果均小于1/550，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）表5.5.1 要求的“钢筋混凝土框架结构△u/h应小于1/550”。通过设置阻尼器，结构各层层间位移角均有所减小，进一步提高了结构的安全储备，阻尼器发挥了很好的耗能能力，提高了结构的抗震性能。

表1 多遇地震下各层层间位移角

计算得到减震结构在多遇地震作用下各层层间剪力见表2所示。由表2可知，减震结构计算得到的各层层间剪力均小于未设置消能器的非减震结构（减震率13.9%~22%），减震效果显著且符合预期。

表2 多遇地震下各层层间剪力

2.4 罕遇地震作用计算

该工程选取2 条天然波和1 条人工波进行时程分析，3条波平均值与振型分解反应谱法的地震影响系数曲线在统计意义上相符。该工程的抗震设防烈度为8度，地震峰值加速度为0.20g，特征周期在原基础上增加0.05s，即特征周期0.55+0.05=0.6s。多组时程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，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。地震波在2 个方向基底剪力最小值与最大值分别为反应谱计算结果的96%和113.8%，满足规范对差值小于±35%的要求，且3 条时程曲线：80%＜平均基底剪力值＜120%，满足规范要求，可以用于工程设计。

计算得到的减震结构在罕遇地震作用下各层弹塑性层间位移角见表3所示。由表3可知，各层弹塑性层间位移角均小于1/50，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）表5.5.5 要求的“钢筋混凝土框架结构弹塑性位移角限值△u/h应小于1/50”。通过设置阻尼器，结构各层层间位移角均有所减小，进一步提高了结构的安全储备，阻尼器发挥了很好的耗能能力，提高了结构的抗震性能。

表3 罕遇地震下各层层间弹塑性位移角（X向）

计算得到的减震结构在罕遇地震作用下各层层间剪力见表4所示。由表4可知，减震结构计算得到的各层层间剪力均小于未设置消能器的非减震结构（减震率11.8%~21.5%），减震效果显著且符合预期。

表4 罕遇地震下各层层间剪力

计算得到减震结构在罕遇地震作用下，阻尼器最大出力为477kN，最大位移为41.4mm。根据阻尼器最大出力和位移要求，初步选定阻尼器参数为：设计阻尼力500kN，设计位移50mm。

2.5 附加阻尼比计算

根据《建筑抗震设计规范》12.3.4 规定消能部件附加给结构的有效阻尼比可按照下式计算：

式中：Wcj——第j个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量；

Ws——设置消能构件的结构在预期位移下的总应变能。

多遇地震情况下阻尼器为结构提供的附加阻尼比结果：X向附加阻尼比5.22%，Y向附加阻尼比4.55%，包络附加阻尼比4.55%。根据《山西省工程建设标准设计图集》（DBJT04-39-2015，晋14G08）总说明第七.7 条的要求，附加有效阻尼比应考虑消能器性能偏差，乘以调整系数0.7，即附加有效阻尼比为4.55%×0.7=3.19%。

罕遇地震情况下阻尼器为结构提供的附加阻尼比结果：X向附加阻尼比2.67%，Y向附加阻尼比2.57%，包络附加阻尼比2.57%。根据《山西省工程建设标准设计图集》（DBJT 04-39-2015，晋14G08）总说明第七.7条的要求，附加有效阻尼比应考虑消能器性能偏差，乘以调整系数0.7，即附加有效阻尼比为2.57%×0.7=1.80%。

3 结束语

本文通过建模对拟建工程的消能减震结构进行有限元分析后，得出以下结论：

（1）多遇地震情况下设置粘滞阻尼器为结构提供的附加阻尼比结果：X 向附加阻尼比5.22%，Y 向附加阻尼比4.55%，包络附加阻尼比4.55%，乘以调整系数0.7后附加有效阻尼比为3.19%，满足附加阻尼比3%的要求；

（2）减震结构在多遇地震作用下各层层间位移角计算结果均小于1/550，减震结构在罕遇地震作用下各层弹塑性层间位移角均小于1/50，满足规范要求；

（3）减震结构计算得到的各层层间剪力均小于未设置粘滞阻尼器的非减震结构的层间剪力，减震效果明显。