粘滯阻尼器在高層建筑中的應用

賈海風

（廣東省建筑設計研究院　廣東　廣州　510010）

粘滯阻尼器在高層建筑中的應用

賈海風

（廣東省建筑設計研究院廣東廣州510010）

消能減震結構是通過設置消能構件或裝置，使結構在出現變形時迅速消耗地震動能量，從而保護主體結構在強地震中的安全。本文簡要介紹消能減震裝置的常用類型，并通過SAP2000軟件對傳統抗震框架和采用了粘滯阻尼器的框架進行對比分析，結果表明安裝有消能減震裝置的結構比傳統抗震框架抗震性能優良。

消能減震結構；高層建筑；粘滯阻尼器

引言

傳統抗震技術是把結構本身及主要承重結構（梁、柱、節點、剪力墻等）作為消能構件，結構產生塑性變形來消耗地震輸入的能量，此時整個結構或構件產生不同程度的損傷。由于地震的隨機性及結構抗震能力的變異性，對結構在地震中的損傷程度難以控制，且傳統抗震結構體系是通過加強結構、提高側向剛度以滿足抗震需求，結構剛度增大，地震作用也隨之增大。對于采用高強材料的高層建筑的技術發展造成嚴重的制約。消能減震技術能夠大大提高高層建筑的抗震能力，本文主要介紹高層建筑消能減震技術采用的消能減震裝置的類型及其力學性能，并通過軟件分析表明采用消能減震裝置的高層建筑具有良好的抗震效果。

1　消能減震結構的機理及常用類型

1.1消能減震結構的機理

結構消能減震體系，就是將結構的某些非承重構件設計成消能桿件，或在結構的某部位裝設消能裝置，如層間空間、節點、連接縫等。這些桿件或裝置通過摩擦，剪切（或彎曲、扭轉），彈塑性（或粘彈性）以及滯回變形從而為主體結構提供比較大的阻尼，消耗部分地震時地震波輸入到結構的地震動能量，以達到有效地衰減結構的地震反應的目的，從而保護主體結構及構件，避免其在強地震中破壞，確保主體結構在強地震中的安全。以下從能量轉換的角度來分析消能減震結構的機理：

在地震中任意時刻消能減震結構的能量方程為：

傳統抗震結構：Ein=ER+ED+ES（1）

消能減震結構：Ein=ER+ED+ES+EA（2）

式中：Ein為地震時輸入到結構的總能量；ER為結構地震反應的能量，包括勢能和動能；ED為結構自身阻尼消耗的能量部分（一般不超過5％）；ES為結構耗能構件的彈塑性變形（或損壞）消耗的能量；EA為消能部件吸收或耗散的能量。

對于傳統的抗震結構，ED一般只占5％，故忽略不計，為了最后終止結構的地震反應（ER→0），必然導致主體結構及承重構件的損壞、嚴重破壞或倒塌（ES→Ein），從而達到消耗輸入結構的能量的目的。

對于消能減震結構，ED同樣忽略不計，消能構件或裝置先充分發揮消能作用進入消能工作狀態，大量消耗輸入到結構的地震能量（EA→Ein）。這樣，既保護了主體結構及承重構件，使得其免遭破壞（ES→0），又迅速地衰減了結構的地震反應（ER→0），從而確保結構在地震中的安全。

1.2消能減震裝置的常用類型

在工程減震控制技術中，消能減震是一種被動控制技術[1]，常用的消能減震裝置有：①粘滯阻尼器；②粘彈性阻尼器；③金屬阻尼器；④摩擦阻尼器。

2　計算模型及基本參數

2.1計算模型

本文采用SAP2000建立一棟12層框架結構，層高為3m，房屋總高度為36m，A類建筑，抗震設防烈度為Ⅷ度（0.2g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為Tg=0.40s。柱網跨度為6m，X向共6跨，總長為36m，Y向共4跨，總長24m，柱尺寸為600mm×600mm，梁尺寸為250mm×500mm，板厚為100mm。梁、柱、板混凝土均采用C30。樓面恒荷載為5kN/m2，活荷載為2.5kN/m2。粘滯阻尼器在結構中的平面布置圖見圖1。根據文獻[2] 12.3.2條規定，消能部件可根據需要沿結構的兩個主軸方向分別設置，消能部件宜設置在變形較大的位置，其數量與分布應通過綜合分析合理確定，并有利于提高整體結構的消能減震能力，形成均勻合理的受力體系。

圖1　粘滯阻尼器布置

2.2地震波的選取

本文選取2條天然波及1條人工波對結構進行時程分析，地震波信息見表1。

表1　地震波信息

3　動力時程分析結果對比

輸入表1中個地震動加速度時程進行結構的動力反應分析，分別將地震波的最大幅值調至70gal。

圖2給出了各個工況下傳統框架和有阻尼器框架的Y向層間位移角，可以看出各工況下，有阻尼器框架的層間位移角明顯比傳統框架小很多。

圖2　各個工況下結構最大層間位移角對比（Y向）

表2、表3分別給出了傳統框架和安裝有粘滯阻尼器框架的頂層Y向位移最大值和頂層Y向加速度最大值。

表2　結構頂層位移最大值比較

表3　結構頂層加速度最大值比較

表4給出了傳統框架和安裝有粘滯阻尼器框架的基底剪力和基底彎矩，可以看出安裝了阻尼器之后，結構的整體抗震性能得到了較大的提升，有效的改善了結構的受力情況。

表4　結構基底剪力、基底彎矩比較（單位：kN、kN·m）

4　結論

通過對傳統抗震框架和安裝了粘滯阻尼器框架兩種結構進行彈性時程分析，得出安裝了粘滯阻尼器框架的層間位移角、結構頂層位移和加速度、結構基底剪力和基底彎矩相比傳統抗震框架大幅度減小，這說明，安裝粘滯阻尼器的結構，其抗震性能得到明顯的改善，抗震安全儲備得到很好的提高，結構的安全有較為可靠的保障。

[1]周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[2]《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）.中國建筑工業出版社，2010.

[3]北京金土木軟件技術有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2006.

TU973+.2

A

1673-0038（2015）10-0029-02

2015-2-16

賈海風（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。