某框架結構減震設計與抗震性能研究

李耀先

摘要： 隨著我國經濟水平的不斷提高，人們對結構的抗震性能提出了更高的要求，以昆明市某教學樓工程為例，對其采用黏滯阻尼器進行減震設計，研究其在各水準地震作用下的抗震性能。研究結果表明：黏滯阻尼器減震效果明顯，結構抗震性能滿足預期性能目標。研究成果為黏滯阻尼器在高烈度區的應用提供了參考。

Abstract： With the continuous improvement of China's economic level， people put forward higher requirements for the seismic performance of the structure. Taking the construction of a teaching building in Kunming as an example， the design of the damped dampers is used to study the seismic under the action of the seismic performance. The research results show that the viscous dampers have obvious shock absorption effect and the seismic performance of the structures meet the expected performance targets. The study result provides a reference for the application of viscous dampers in high intensity areas.

關鍵詞： 抗震性能；黏滯阻尼器；減震；高烈度區

Key words： seismic performance；viscous dampers；shock absorption；high intensity areas

中圖分類號：TU352.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0098-02

0 引言

隨著城市化進程的加速發展，地震給人類造成的災難會更加慘重，減輕地震災害成為21世紀及更長時期的重要研究課題。我國是世界上地震災害最為嚴重的國家之一，地震強度大、分布廣、成災率高等特點。僅在20世紀，全球1/3的大陸地震發生在我國，地震共造成55萬人死亡，占全球地震死亡人數一半以上，居世界首位。國內外震害資料和研究表明，減震結構能夠有效提高結構的抗震性能。結構耗能減震技術是指在結構的某些部位增設阻尼器，通過阻尼器產生摩擦、彎曲等滯回變形來耗散或吸收地震動輸入能量，減輕結構損傷。

1 黏滯阻尼器特點

黏滯阻尼器是一種速度型阻尼器，一般由缸體、活塞、阻尼孔、黏滯流體阻尼材料和導桿等部分組成。地震發生時，活塞在缸筒內作往復運動，活塞上有適量阻尼孔，缸筒內裝滿黏滯阻尼材料。當活塞在缸筒內運動時，活塞前后會產生壓力差，黏滯材料從阻尼孔中流過，從而產生阻尼力，達到耗能減震的目的，與其他阻尼器相比，黏滯阻尼器具有如下優點：

①其他阻尼器需要經常檢修，在大震作用后需要更換，而黏滯阻尼器基本不需要更換。

②黏滯阻尼器隨溫度變化其性能較為穩定，在地震作用下不容易失效。

③黏滯阻尼器僅為結構附加阻尼而不附加剛度，有效減小結構地震響應，設計方法簡單，工程師易于掌握。

2 工程概況

本工程為昆明市某中學教學樓。結構體系為混凝土框架結構，結構共5層，總高度20.05m（不含坡屋面），建筑面積總為1761m2。該工程抗震設防為8度（0.2g），地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，設計反應譜特征周期為0.45s，抗震設防分類為重點設防類（乙類建筑）。減震結構有限元分析模型如圖1所示。

3 減震設計方案

根據抗震專項審查要求，該項目需采用減震設計，設計時考慮場地條件，設防烈度及安全經濟性，采用黏滯阻尼器的消能減震方案。最終確定需要在多遇地震下給結構附加5%的阻尼比，阻尼器在不影響建筑使用功能的情況下，按照“均勻、分散、對稱”的原則進行布置，阻尼器共12個，13層，X與Y向均為2個，阻尼器布置平面圖如圖2所示，采用的黏滯阻尼器參數為阻尼系數C=100kN/（mm/s），阻尼指數0.15。

4 有限元模型建立與地震波選取

4.1 有限元模型建立

根據建筑圖，采用PKPM建立結構模型，采用SAP2000進行有限元分析，因此需要將PKPM模型導入到SAP2000中，由于模型在相互導入時存在一定誤差，需要對PKPM軟件與SAP2000軟件中的同一棟建筑結構模型的質量、周期等進行對比，確保兩種軟件中的同一棟建筑結構模型誤差在可接受的范圍內。兩種軟件計算得到的質量、周期及誤差分析結果分別如表1、表2所示。

從表1和表2數據可以看出，兩種軟件計算得到的模型結構質量、周期相差較小，因此可以認為SAP2000建立的有限元分析模型符合要求。

4.2 地震波選取

根據《建筑抗震設計規范》5.1.2條規定，選取了5條天然波和2條人工波進行小震彈性時程分析，所選地震波需滿足統計意義上相符，時程曲線反應譜與規范反應譜對比圖如圖3所示。

5 減震分析

減震結構通常采用兩階段的分析方法，即多遇地震彈性時程分析和罕遇地震作用下彈塑性時程分析。

5.1 彈性分析結果

彈性分析采用SAP2000對附加阻尼比進行復核，黏滯阻尼器采用Damper單元進行模擬，采用FNA法進行分析。根據規范簡化方法計算7條波附加阻尼比，計算結果表明，X向附加阻尼比為7.24%，6.19%，附加阻尼比滿足預期目標，且其安全儲備較高，說明阻尼器布置合理。

為了說明減震效果，通常對比減震與非減震結構的層間位移角，圖4和圖5分別給出了非減震與減震結構層間位移角曲線。

由圖4和圖5可知，非減震結構層間位移角不滿足規范要求1/550，減震結構層間位移角包絡值滿足預期的性能減震性能目標1/610，說明加設阻尼器結構的抗震性能得到很大提高，結構安全儲備較高。

5.2 彈塑性分析結果

在罕遇地震下彈塑性時程分析時通常定義梁柱的塑性鉸以模擬結構的非線性，進行罕遇地震分析時一般選取2條天然波和1條人工波進行時程計算。層間位移角是衡量結構抗震性能的重要指標，3條波層間位移角計算結果為：575號波X向1/146、Y向1/160；590號波X向1/124、Y向1/121；R05號波X向1/193、Y向1/204。取其包絡值為1/121。

由罕遇地震作用下層間位移角計算結果可知，結構層間位移角滿足規范要求1/50，達到預期的減震性能目標，結構安全儲備較高；從結構時程分析塑性發展情況來看，結構先出現梁鉸，后出現柱鉸，鉸的塑性發展程度較低，結構滿足“強柱弱梁”的概念設計要求。

6 結論

通過對昆明市某教學樓進行減震設計與分析，對其抗震性能進行研究，可以得出采用減震設計結構的抗震性能可以得到很大提高，結構安全儲備較高，該工程可為高烈度地區結構抗震設計提供參考。

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