某高烈度地區建筑被動減震結構分析

劉文文

(中鐵四院西南勘察設計有限公司，云南昆明 650206)

0 引言

地震是最嚴重的自然災害之一，而中國是地震頻發國，唐山地震、汶川地震等等一系列大地震產生的震動從力度、能量、破壞、災害諸方面來說都是最嚴重的，給人們也帶來了巨大的生命財產損失，并且留下了難以磨滅的災難。傳統建筑抗震技術是利用結構各構件的承載力以及變形能力來抵御地震作用，吸收地震能量，立足于“抗”，以滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標［1］。但是這種通過以剛克剛的“硬抗”途徑會形成結構剛度越大，地震作用越強的惡性循環，既不經濟，也不一定安全。

結構減震控制技術就是一項涉及多個學科領域的結構抗震新技術，它不是采用加強結構的傳統設計方法來提高結構的抗震能力，而是通過設置減震裝置來控制結構在地震作用下的振動響應，從而有效地保護結構在強震下的安全，既可以滿足建筑功能的要求，還可以明顯提高結構的抗震性能［2］，尤其對于位于地震高烈度區的學校教學用房及宿舍、醫院、通信、電力及交通樞紐等重大工程、生命線工程，采用減震技術的優越性更為明顯。因此本文采用ETABS軟件對設置非線性粘滯流體阻尼器的消能減震結構的減震效果進行研究。

1 工程概況

本工程采用鋼筋混凝土框架結構，共7層，建筑總高度為25.5 m。其中，一層的層高為3.9 m，其余樓層的層高均為3.6 m。混凝土強度等級柱、梁為C40，板C30。抗震設防類別為乙類(學校教學用房)，抗震設防烈度8度，基本地震加速度為0.2g，設計地震分組為第一組，水平地震影響系數最大值為0.16，場地類別Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s，地面粗糙度為B類，抗震等級為框架一級。

在PKPM計算的反應譜工況下，結構X方向地震作用下的最大層間位移角為1/471;X向雙向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/451;結構Y方向地震作用下的最大層間位移角為1/485;Y向雙向地震作用下的樓層最大層間位移角為1/462;結構層間位移角最大值大于規范限值1/550，由于受到建筑等相關專業要求，無法再通過增大結構構件截面來滿足規范要求，因此單純依靠“硬抗”的傳統設計，無法滿足該工程的抗震設計要求。只能改成增設較多數量的剪力墻，相應的造價將增加20%左右，最終導致經濟上負擔過重。因此本工程采用設置非線性粘滯流體阻尼器的消能減震結構體系，在滿足規范要求的前提下，能夠節省工程造價，經濟性較好。

2 減震裝置的布置

根據GB 50011-2010建筑抗震設計規范以及提供的建筑設計圖、結構布置圖以及相關設計分析模型與結果，決定在本工程適當位置沿結構的兩個主軸方向分別設置粘滯阻尼器，其數量、型號、位置通過多輪時程分析進行優化調整后確定，從而顯著降低結構的地震反應。

粘滯阻尼器的參數取值見表1。

減震裝置各樓層布置見表2。

其中，非線性粘滯阻尼器力—變形關系為:

式中:C——阻尼系數;

˙u——阻尼器變形速率;

α——阻尼指數。

表1 阻尼器參數

表2 粘滯阻尼器樓層布置情況

3 多遇地震作用下結構的時程響應分析

3.1 結構分析模型的建立

本文采用CSI公司的ETABS軟件進行多遇地震作用下結構減震效果分析，在ETABS彈性結構分析模型中，采用空間桿系單元模擬框架梁、柱構件，樓板采用膜單元模擬，粘滯阻尼器采用Damper單元模擬［3］。為驗證所建模型的準確性，并檢驗結構抗震性能，分別采用SATWE程序。表3，表4分別是兩個軟件的模態及樓層剪力計算結果。對比分析結果，可以看出ETABS和PKPM周期及樓層剪力計算結果非常相近，因此可以認為采用ETABS建立的模型是可靠的。

表3 ETABS和PKPM模態分析結果對比(前10階模態)

表4 ETABS和PKPM反應譜分析所得的各層剪力比較

3.2 時程分析地震波的選用

我國GB 50011-2010建筑抗震設計規范明確規定，在彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。根據本工程場地類別和地震分組，現選擇USER845波、USER656波和USER361波作為地震動輸入進行時程分析，其中USER656波、USER361波為天然波，USER845波為根據Ⅱ類場地模擬的人工波。各條輸入地震波峰值在計算時，根據規范要求分別調整到8(0.2g)度，時程長度選取20 s，多遇地震計算時加速度峰值70 cm/s2，計算結果也滿足規范的要求。

3.3 多遇地震作用下結構減震效果分析

表5，表6分別為結構X向、Y向減震前、減震后的層間剪力，通過計算可以知道減震后結構的層間剪力平均值比減震前減少了30%左右，其層間剪力減震率約為30%，這表明粘滯阻尼器具有很好的耗能減震作用，設置了粘滯流體阻尼器的減震結構在地震作用下具有很好的抗震性能。

表5 X向層間剪力對比 kN

表6 Y向層間剪力對比 kN

4 結語

結構采用了粘滯流體阻尼器消能減震技術，對結構在8(0.2g)度多遇地震荷載作用下的減震前和減震后工作性能分別進行了計算分析，采用粘滯流體阻尼器對該結構進行減震設計是可行的，粘滯流體阻尼器能夠有效的消耗地震輸入的能量，結構的震動相應有著明顯的降低，結構的安全性能有顯著的提高。特別是在高烈度地區，由于地震作用非常大，如果按照傳統的結構設計，結構構件的截面將非常大，而采用粘滯流體阻尼器的減震結構能夠有效的降低地震反應，在不降低結構安全性的前提下，能夠比較合理的減小結構構件的截面尺寸，不失為一種合理的設計方法。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］周 云.粘滯阻尼減震結構設計［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2006:173-177.

［3］北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.ETABS中文版使用指南［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.