某教學樓采用粘滯阻尼器的消能減震設計

侯 志 菡

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

·結構·抗震·

某教學樓采用粘滯阻尼器的消能減震設計

侯 志 菡

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

以高烈度區某教學樓工程設計為例，依據建筑使用功能和抗震要求，該建筑物采用粘滯阻尼器的消能減震設計方案，時程分析結果表明，粘滯阻尼器可大量耗散地震動能量并顯著降低結構的地震響應。

消能減震設計，框架剪力墻，粘滯阻尼器，時程

隨著社會與經濟不斷進步，我國對于地震重點危險區的學校和幼兒園新建教學用房必須采用減隔震技術。本文以太原市某工程實例為依據，探討了減隔震技術在實際工程中的應用與設計。

1 工程概況

本工程位于太原市，主要功能為培養視障類殘疾人為主的公辦職業技能學校。結構形式為框架剪力墻結構，總高度36.400 m，地上8層、地下1層。結構抗震設防烈度：8度；設計基本地震加速度：0.20g；設計地震分組：第一組；抗震措施：按9度；場地類別：Ⅲ類；建筑抗震設防類別：重點設防類(乙類)；抗震等級：框架一級，剪力墻一級；安全等級：二級；地基基礎設計等級：乙類；設計使用年限：50年。

在這個項目具體設計中，為了滿足各個相關規范的要求，梁柱等構件截面取值整體偏大，雖然滿足了各項設計指標，但是主體結構的自重及含鋼量較大、結構整體比較臃腫；于是，在滿足各項規范前提的條件下，自上而下對承重構件截面柱、梁進行優化。優化后的結構模型整體剛度降低，自重減小，整體剛度降低的同時增加了阻尼比，從而達到了結構在地震中不破壞、震后能保證使用的目的。

2 消能減震方案的選擇

阻尼是結構對能量消耗的程度，它來自兩個方面：固有阻尼和外加阻尼。固有阻尼由結構的材料、裝飾、基礎及構架等組成，很難計算得出。外加阻尼近年來常用的形式見表1。

阻尼有助于減少結構在外部荷載作用下的共振響應，增大結構的阻尼比會降低結構在地震作用下的響應，現在常用的辦法是通過設置外置阻尼器來增大結構的阻尼，較大的外加阻尼可以大大的減小地震作用，提高結構的抗震性能，結構的可靠度。設置阻尼器建筑物結構的總體剛度是結構本身的剛度和消能減震部件有效剛度相加之和，總阻尼比也是結構本身提供的阻尼和消能減震部件附加給結構有效阻尼相加之和。

表1 外加阻尼常用形式

消能減震選取方案分為兩部分:1)阻尼器的種類選取。2)阻尼器的樓層分布。核心思想是根據結構自身的剛度、構造特點提高外加阻尼器的使用效率。

阻尼器設計布置應符合下列要求：

1)本工程減震建筑之要求為在多遇地震下，其建筑主體結構仍保持彈性，且非結構構件無明顯損壞；在罕遇地震考慮下，其減震阻尼器系統仍能正常發揮功能。 2)本工程減震設計依據預期的水平向地震力和位移控制要求等參數，選擇適當數目的阻尼器，并配置在適當的位置。 3)阻尼器配置在層間相對位移或相對速度較大的樓層，條件允許時應采用合理形式增加消能器兩端的相對變形或相對速度，以提高消能器的減震效率。4)消能減震結構設計時按各層消能部件的最大阻尼力進行截面設計，與阻尼器相連接的支撐連接板及相關梁柱節點的強度設計都應取各阻尼器設計出力值的1.2倍作為外荷載標準值來進行強度校核，同時應考慮阻尼器所提供的外力作用效應來驗算相鄰梁柱的強度，并適當采取一些補強措施。5)對含減震阻尼器的結構進行整體分析，包含不同地震考慮下的結構彈塑性分析。 6)與阻尼器支撐相連接構件或接合構件需適當設計使其在罕遇地震作用下仍維持彈性或不屈狀態。 7)阻尼器及支撐的布置應基本滿足建筑使用上的要求，并盡量對稱布置，為了保護阻尼器的耐久性，可采用輕質強度低的防火材料作隔板把阻尼器包裹在隔墻中間。

為綜合分析該房屋的基本信息，本論文分別利用PKPM分析軟件和ETABS分析軟件對房屋結構進行了建模計算和結果對比分析。綜合計算結果，結構ETABS模型與SATWE模型的結構質量、計算周期和地震剪力的差異較小，由此可以認為，ETABS模型作為本工程消能減震分析的有限元模型是相對準確的，且能較為真實地反映結構的基本特性。

在本工程減震設計中，為確保新結構層間剛度平穩變化，以避免生成新的薄弱層，決定將消能支撐體系逐層緩變地安裝在原結構上，擬附加消能減震支撐具體數量的確定主要以原結構(PKPM模型)的各層間剪力和位移角作為依據，經反復分析計算及優化設計后，全樓共設置41套粘彈性阻尼器如表2所示。

表2 樓層粘彈性阻尼器設置表

采用非線性時程分析法進行消能減震結構的抗震性能分析和減震效果評價，并與振型反應譜分析法進行比較。時程波采用選取的5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程，滿足《建筑抗震設計規范》5.1.2的要求。對于多遇地震和罕遇地震工況輸入同一時程，只是調整其峰值加速度，8度分別為70 cm/s2，400 cm/s2。為便于分析比較，將分析結構分為如下兩種結構狀態：結構1(ST0)為不設阻尼器的主體結構；結構2(ST1)為增設阻尼器后的主體結構。

對于多遇地震作用下的彈性工況分析基于ETABS軟件進行，其中彈性時程分析采用軟件所提供的快速非線性分析(FNA)方法(即只考慮阻尼器的非線性、結構本身假設為線性)，并進行多次分析迭代。分析內容包括：結構減震前后的層間剪力及層間位移角對比、阻尼器在多遇地震下的實際等效附加阻尼比計算和滯回耗能分析等。

對于罕遇地震的工況分析基于PERFORM-3D軟件進行，主要分析內容包括：罕遇地震作用下結構抗震性能的分析、結構減震前后屈服機制和非線性狀態的對比、附加粘滯阻尼器的設計承載力和設計行程校核，以及附加人字形鋼支撐的剛度設計等。

3 結構消能減震分析計算

1)周期見表3。

表3 周期表

2)層間位移角最大值見表4。

表4 層間位移角最大值

3)樓層最大位移見表5。

表5 樓層最大位移

4 結語

使用ETABS對普通結構和減震結構在8度(0.2g)地震作用下進行反應譜分析和時程分析，分析了多遇地震作用下和罕遇地震作用下結構的反應，通過對比分析表明結構采用消能減震設計方案具有良好的效果和獨特的優勢，結構附加粘滯阻尼器減震設計后主體結構部分的抗震安全性大大提高，消能減震設計是可行有效的。考慮到樓梯部件屬于重要的生命通道，在災時應保持其通暢性和安全性，且其實際受力狀況比較復雜，在本工程中采用“放”的做法，即在樓梯平臺部位設置滑移支座，使其不參與結構整體受力，因此本工程的建模分析計算也未考慮樓梯的參與作用設置粘滯阻尼器的消能減震結構在罕遇地震作用下呈現“強柱弱梁”的塑性鉸發展機制，且在帶阻尼器—支撐立面上主體結構部分的塑性發展程度也比較小，這表明主體結構在罕遇地震作用下的損傷狀況能夠得到有效控制和改善，從而使得整體結構具有良好的抗震性能，更有利于實現“大震不倒”的設防目標。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[2] 李春和，張義元.超高層建筑結構減小地震作用的方法[J].減震技術，2014(2):13-17.

Energy dissipation and seismic design of the teaching building with viscous damper

Hou Zhihan

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

Taking the teaching building engineering in high intensity area as an example, according to architectural usage functions and seismic demands, the paper applies energy dissipation and seismic design of the viscous damper in the building. The time-histories analysis results show that: viscous damper can dissipates seismic energy and reduce seismic response as well.

energy dissipation and seismic design, frame shearing wall, viscous damper, time-histories

2014-12-16

侯志菡(1981- )，女，工程師

1009-6825(2015)06-0032-02

TU244

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