粘滯阻尼器的應用分析

馮 愛 霏

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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粘滯阻尼器的應用分析

馮 愛 霏

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

根據阻尼器在結構中的布置原則，介紹了粘滯阻尼器四種不同的安裝方式,并通過算例,對這四種安裝形式下粘滯阻尼器的減震效果進行比較,指出剪刀型安裝方式和肘節型安裝方式具有一定的優越性。

消能減震技術，粘滯阻尼器，布置安裝方式

1 概述

地震以及風等外部影響對建筑物的安全性產生巨大的威脅，如何有效降低建筑物和其內部設施的損壞，一直以來都是工程設計人員致力解決的問題。增大梁柱截面、減少梁柱間距、提高建筑材料強度等“硬抗”的方法是設計人員一直以來采用較多的，但是，增加結構構件截面的同時其自身質量也隨之增加，使得結構體系對地震力等外部作用的影響隨之放大，需要更強的剛度來抵抗，同時也造成材料上的更大消耗。傳統設計的技術手段是通過結構構件的損傷來抵抗外部影響的能量，而這些構件同時也是結構的主要受力部位，受損后不利于修復，也無法滿足人們日益增長的對“安全、舒適”建筑結構的需求。隨著科技的進步，現在的設計中逐步引進了消能減震技術，尤其汶川地震后,我國進一步加大了在工程設計中消能減震技術的應用,該技術逐漸成為抗震研究的主要發展方向之一。

消能減震技術是在工程結構中安裝減振裝置，由減振裝置與結構構件共同承擔地震、風等外部荷載作用，即共同存儲和消耗輸入結構中的外部荷載引起的能量(例如消能減振裝置——粘滯阻尼器可將輸入結構中的能量轉化為熱能然后耗散)，進而達到減輕和調節結構在地震、風等外部作用下的動力影響，實現保護建筑結構的目標。它在外部動力影響時才發揮作用，無外部影響則不工作。延續了過去延性設計的思路又克服了損壞后不方便修復的缺點。這種設計對策也是目前結構抗震的重大突破和未來的發展方向。我國的科研技術人員在這方面也展開了很多工作，比如施工簡單的粘滯阻尼器到如今已經發展到了第三代技術，它可以用于民用建筑(住宅、辦公、商場)、大跨公共建筑、工業建筑、橋梁等,尤其是學校等生命線工程國家更是明確作出了要求。

2 粘滯阻尼器的原理以及在結構中的布置安裝方式

粘滯阻尼器是一種速度型阻尼器,其設計原理是利用粘性介質和阻尼器結構部件的相互作用產生阻尼力，粘性介質在缸體中運動時將外部輸入結構的振動能量轉換為熱能然后消耗。粘滯阻尼器外形簡單，結構對稱，安裝便捷，但其耗能效率高，起到的作用明顯。粘滯阻尼器荷載按安裝節點最大阻尼力不大于額定荷載的原則選用；其行程的選擇可根據安裝節點的膨脹位移量和工作行程的大小確定，同時考慮每邊不小于20 mm的行程富余量，一般建筑的阻尼器行程建議在150 mm以內。粘滯阻尼器設計的原理用公式表達如下：

F=C×Vα。

其中，F為阻尼力，kN；C為阻尼系數，kN/(mm/s)α；V為活塞運動的速度，mm/s；α為速度指數，根據工程要求進行設計選定：以結構抗震為主時一般取0.1～0.3；以結構抗風為主時一般取0.4左右，同時兼顧抗震和抗風設計時取0.3。

粘滯阻尼器在結構中的布置方式一般來說應以使扭轉效應盡可能小的原則布置在結構中，主要有以下幾點:

1)豎向布置以層間位移作為衡量標準,阻尼器宜設置在層間位移較大的樓層。框架結構等以剪切變形為主的結構一般布置在下部樓層，剪力墻等以彎曲變形為主的結構一般布置在上部樓層。當層間位移基本相等時,阻尼支撐適宜設置在結構的下部。

2)平面布置盡量讓結構主體剛度中心和質量中心重合，無法重合時盡量減小其距離，總體采用均勻、對稱、分散的原則，粘滯阻尼器在建筑結構中一般在梁柱間安裝，其工作效率與安裝方式有很大的關系，受安裝方式的直接影響。實際工程應用中阻尼器一般安裝方式有：單斜支撐、人字支撐、剪刀支撐、墻墩支撐。支撐方式的選擇應綜合考慮其對建筑布局的影響。單斜支撐結構簡單、安裝方便，但其對梁柱節點的影響較大；人字支撐對梁柱節點基本無影響，但要考慮其側向穩定性；剪刀支撐阻尼效果較好，但對框架梁影響較大，容易引起框架梁片面外變形；墻墩支撐受力簡單，相對其他三種方式自重較大，設計框架梁時需考慮其自重。阻尼器安裝應該在其鄰近設備、結構構件安裝結束后實施。

3 工程應用實例

山西省太原市汾東中學教學樓，地下1層，地上5層，鋼筋混凝土框架結構，所在地抗震設防烈度為8度(0.2g)，地震分組：第二組，場地類別：Ⅲ類。根據《山西省住房和城鄉建設廳關于積極推進建筑工程減隔震技術應用的通知(第115號)》文件及GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準規定，本工程采用減震技術，抗震設防分類為重點設防類(乙類)。

3.1 減震目標和性能目標

建筑結構減震目標和性能目標見表1。

表1 建筑結構減震目標和性能目標表

3.2 設計方案

本工程主要是通過設置粘滯阻尼器控制結構在不同烈度地震作用下的預期變形，從而達到不同等級的抗震設防目標。具體設計的內容主要包括結構附加阻尼比的確定，選擇阻尼器參數和計算阻尼器布置的數量，以及阻尼器的平面布置及安裝方式，計算設置阻尼器后結構在多遇地震作用下的結構變化，并且對比前后位移數據變化，周期影響；罕遇地震作用下的位移驗算，調整承載力不足的構件，確認阻尼器的極限位移。

3.3 確定附加阻尼比

根據《建筑抗震設計規范》，結構阻尼比為5%，預計附加阻尼選用3%，消能減震結構的總阻尼比為8%。并采用ETABS軟件進行附加阻尼比的校核計算。

3.4 計算確定阻尼器的參數和數量，安裝位置及形式

考慮建筑布局后其中2層～4層阻尼器平面布置圖見圖1。

ETABS彈性分析小震下最大層間位移結果見表2。

表2 ETABS彈性分析小震下最大層間位移結果表

驗算結構附加阻尼比見表3。

表3 結構附加阻尼比

結構采用《抗規》第12.3.4條方法確認結構的附加阻尼比，經計算結構的附加阻尼比：X向為3.47%，Y向為3.06%，達到3%的附加阻尼比。阻尼器選取見表4。

表4 阻尼器參數表

結構整體模型進行了彈塑性時程分析，滯回曲線飽滿。罕遇地震下采用三條地震波分析了結構在X向單向和Y向單向地震輸入時結構的彈塑性性能，三條波的計算結果為：REN1波X向1/150，Y向1/192；T3號波X向1/130，Y向1/154；T5號波X向1/188，Y向1/292。對不同地震波的時程分析，根據規范要求，三條地震波可取包絡值。梁鉸先于柱鉸出現，滿足“強柱弱梁”的要求。罕遇地震作用下，與阻尼器相連的結構構件進入塑性狀態，并未失去承載力，阻尼器仍能正常工作。

4 結語

本項目最終共采用粘滯阻尼器14個，在2層～4層的X，Y方向分別放置2個阻尼器，5層X向1個，Y向1個，其C值都為130 kN/(mm/s)0.15。對有控結構和無控結構進行了對比，有控結構達到了結構的減震目標，即：多遇地震作用下層間位移角達到1/600以下，基底剪力減小20%。復核結構的附加阻尼比達到預設值。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術規程[S].

Application analysis of viscous damper

Feng Aifei

(Shanxi Academy of Building Design, Taiyuan 030013, China)

According to viscous damper allocation principles in the structure, the paper introduces four kinds of viscous damper installation methods. Through calculation example, it compares seismic reduction effects of viscous damper with four kinds of installation methods, and finally points out that: both scissor-style installation method and toggle-style installation method have certain superiorities.

energy dissipation technology, viscous damper, allocation installation method

1009-6825(2016)30-0068-03

2016-08-15

馮愛霏(1984- )，女，工程師

TU352

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