黏滯阻尼器減震設(shè)計

陳 斌

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

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黏滯阻尼器減震設(shè)計

陳 斌

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

簡單介紹了黏滯阻尼器的構(gòu)造組成，耗能原理，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面，闡述了其技術(shù)優(yōu)勢，并以山西某中學(xué)教學(xué)樓為例，分析了在減震結(jié)構(gòu)中增加黏滯阻尼器的設(shè)計方法，有助于提高建筑的抗震能力。

地震，減隔震技術(shù)，黏滯阻尼器，框架結(jié)構(gòu)

地震又稱地動，是地球上一種比較常見的自然災(zāi)害，成因是由于地球在不斷運(yùn)動和變化的過程中,積累了巨大的能量,當(dāng)能量積攢到一定程度，就會快速的從地殼薄弱的地方釋放出來，使地表產(chǎn)生震動，形成地震，當(dāng)釋放的能量較大時，就會形成有破壞力的地震。我國所處的位置是地殼較薄弱，地震比較多發(fā)的位置，所以抗震設(shè)計是我們國家建筑設(shè)計的一個重要部分。

由于目前人類的科技水平尚不能預(yù)測地震的發(fā)生，所以對于地震，我們能做的僅僅是提高建筑抗震性能，使地震對建筑產(chǎn)生的影響降到最小。現(xiàn)在我們經(jīng)常用到的抗震設(shè)計方法是通過提高結(jié)構(gòu)自身的性能來抵抗地震作用，比如增加結(jié)構(gòu)梁柱的截面及配筋、增設(shè)剪力墻、梁柱增設(shè)型鋼等，這類方法既不經(jīng)濟(jì)，又不具備自我調(diào)節(jié)功能，當(dāng)發(fā)生較大地震時，會造成嚴(yán)重破壞。本文要介紹的一種新的結(jié)構(gòu)抗震方法，通過安裝黏滯阻尼器來控制結(jié)構(gòu)振動，達(dá)到減小地震對建筑影響的方法。

1 黏滯阻尼器構(gòu)造及消能原理

1)黏滯阻尼器是一種被動耗能的阻尼器，當(dāng)其合理的安裝在建筑物上時，能消耗、轉(zhuǎn)移、吸收結(jié)構(gòu)地震時產(chǎn)生的振動能量，減小結(jié)構(gòu)振動，從而達(dá)到抗震的目的。目前我們常用的黏滯阻尼器由以下部分組成：缸體、活塞桿、活塞、阻尼孔(位于活塞上)、硅油(黏滯流體阻尼材料)等，如圖1所示。當(dāng)受到地震作用時，活塞和缸體之間會發(fā)生相對運(yùn)動，活塞運(yùn)動時活塞左右硅油會出現(xiàn)壓力差，在壓力的作用下硅油會從活塞上阻尼孔流過，產(chǎn)生阻尼力，進(jìn)而達(dá)到消能抗震的目的。

2)黏滯阻尼器的耗能主要是依靠黏滯流體阻尼材料，當(dāng)黏滯阻尼器開始工作時，黏滯流體阻尼材料開始流動，并通過阻尼孔，在這個過程中會產(chǎn)生摩擦和孔縮效應(yīng)，將黏滯流體阻尼材料的動能轉(zhuǎn)化為熱能，就能耗散掉部分地震產(chǎn)生的能量，從而起到減震的目的。目前研究比較成熟的黏滯流體阻尼材料是二甲基硅油，這種材料的動力黏度一般在10×105cst～3×105cst間，有很好的耐高、低溫性能，黏度隨溫度改變產(chǎn)生的變化很小，物理化學(xué)性能比較穩(wěn)定，能在不同環(huán)境、不同的地震力作用下提供比較穩(wěn)定的阻尼力，是目前應(yīng)用最廣的一種阻尼材料。

2 使用黏滯阻尼器的優(yōu)點

使用黏滯阻尼器的耗能減震結(jié)構(gòu)體系，與傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系相比有以下優(yōu)點：

1)技術(shù)方面：傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系主要靠主體結(jié)構(gòu)及承重構(gòu)件非彈性變形(或損壞)來消耗地震能量，按照傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，抗震設(shè)計時模擬加載地震力(根據(jù)本地區(qū)抗震設(shè)防烈度選用)，根據(jù)計算結(jié)果，選用結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸及配筋。由于地震動的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)計算模型假定的誤差性，結(jié)構(gòu)在地震中受到的破壞程度難以精確控制，特別是當(dāng)出現(xiàn)超本地設(shè)防烈度地震時，主要承重構(gòu)件的安全無法保證，會發(fā)生結(jié)構(gòu)倒塌。使用黏滯阻尼器的耗能減震結(jié)構(gòu)體系，由于設(shè)置了非承重的耗能構(gòu)件——黏滯阻尼器，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，黏滯阻尼器能消耗大量的地震力，從而達(dá)到減震的目的，即使出現(xiàn)超本地設(shè)防烈度地震,阻尼器率先進(jìn)入塑性發(fā)生破壞，破壞的同時會吸收大量的地震力，保護(hù)結(jié)構(gòu)主體和承重構(gòu)件免遭損壞。

2)經(jīng)濟(jì)方面：傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系，只能通過加大受力構(gòu)件的截面尺寸、增加構(gòu)件配筋等來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，這些措施會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)總體的剛度增加，結(jié)構(gòu)所承受的地震力會隨之增加，可能會需要進(jìn)一步加大構(gòu)件截面尺寸或配筋，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)造價提高。使用黏滯阻尼器的耗能減震結(jié)構(gòu)體系，黏滯阻尼器不會提供附加剛度，不會改變結(jié)構(gòu)的自振周期，黏滯阻尼器在提供阻尼力的同時，也不會在安裝位置的柱中產(chǎn)生與柱同向的軸力，因此黏滯阻尼器在為結(jié)構(gòu)提供較大阻尼的同時，不會增加結(jié)構(gòu)的地震作用，進(jìn)而節(jié)省造價。這個效果在高設(shè)防烈度地區(qū)，高層、超高層結(jié)構(gòu)中效果更加明顯。

由于使用黏滯阻尼器這類耗能減震結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性，目前我們國家正在逐步推廣這種技術(shù)的應(yīng)用。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部建質(zhì)[2014]25號文件要求：“抗震設(shè)防烈度為八度(含八度)及以上地震高烈度區(qū)，新建3層及3層以上幼兒園、學(xué)校、醫(yī)院等人員密集公共建筑，應(yīng)優(yōu)先采用減隔震技術(shù)。鼓勵重點設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑采用減隔震技術(shù)，提倡對抗震安全性、使用功能有較高需求的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑采用減隔震技術(shù)”。

3 黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

3.1 工程概況

山西某中學(xué)教學(xué)樓，整體為框架結(jié)構(gòu)，地上3層，層高：1層4.2 m，2層,3層3.9 m，建筑總高度12.0 m。工程設(shè)計使用年限50年，抗震設(shè)防烈度8度，基本地震加速度0.2g，地震分組第二組，抗震設(shè)防類別重點設(shè)防(乙類)，基本風(fēng)壓0.4 kN/m2,場地類別Ⅲ類，地面粗糙度B類。根據(jù)山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳晉建質(zhì)字[2014]115號文件，“抗震設(shè)防烈度8度及8度以上學(xué)校新建教學(xué)用房，必須采用減隔震技術(shù)”。本工程選用黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2 結(jié)構(gòu)模型分析計算

1)建立PKPM結(jié)構(gòu)計算模型(無阻尼器)，計算出層剪力、層間位移等數(shù)據(jù)。

2)使用有限元分析軟件ETABS建立減震與非減震結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行減震計算與減震效果分析。在ETABS彈性分析模型中，采用空間桿系單元模擬梁柱單元，樓板使用膜單元模擬，使用Damper單元模擬黏滯阻尼器。為了確保計算分析的準(zhǔn)確性，需要對模型進(jìn)行校驗，將ETABS和PKPM建立的非減震結(jié)構(gòu)模型計算得到的結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的層間剪力進(jìn)行對比。經(jīng)過對比，ETABS模型與PKPM模型在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、各層剪力的差異都很小，能滿足計算分析的要求。

3)地震波的選取：本次計算選用7條地震波，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》結(jié)構(gòu)抗震驗算的規(guī)定：當(dāng)抗震計算采用7條加速度時程曲線計算時，計算結(jié)果采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法平均值兩者間的較大值。地震波選用5條自然波，2條人工波，滿足規(guī)范自然波不少于2/3的要求。計算結(jié)果如表1所示。

表1 非減震結(jié)構(gòu)底部剪力

表1中比例為各個時程分析與振型分解反應(yīng)譜法得到的結(jié)構(gòu)基底剪力之比。能滿足規(guī)范要求的，單條比值不小于60%，多條的平均值不小于80%。

3.3 消能減震設(shè)計方案

1)減震目標(biāo)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)減震規(guī)范與目標(biāo)對比表

2)阻尼器布置。

根據(jù)建筑平面布置及結(jié)構(gòu)PKPM初步計算結(jié)果，經(jīng)過多次優(yōu)化計算，確定如下黏滯阻尼器布置方案：黏滯阻尼器總數(shù)量為8個，2層,3層X,Y方向各布置2個。阻尼器連接單元在模型中的模擬形式采用墻柱型，阻尼器位于剪力墻中部，平面布置圖如圖2所示。

3)ETABS彈性時程分析減震效果。

采用ETABS軟件所提供的快速非線性分析法，對設(shè)置消能阻尼器的減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置黏滯阻尼器，實質(zhì)是給結(jié)構(gòu)增加附加阻尼，使結(jié)構(gòu)總阻尼增加，進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，非線性時程分析法可以直接考慮此效果。以下對設(shè)置黏滯阻尼器前后的幾項參數(shù)進(jìn)行對比，進(jìn)而對設(shè)置黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)的減震效果進(jìn)行評價。

樓層剪力及樓層側(cè)移對比見表3，多遇地震下最大層間位移角見表4，罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角見表5。

表3 樓層剪力及樓層側(cè)移對比表

表4 多遇地震下最大層間位移角 rad-1

表5 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角(選用三條地震波)

經(jīng)對比計算，使用黏滯阻尼器的結(jié)構(gòu)，在地震中的加速度和層間位移顯著減小，能達(dá)到結(jié)構(gòu)預(yù)期的減震目標(biāo)。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)消能技術(shù)是近年來一項新興的技術(shù)，自從阻尼器被安裝到建筑上開始，人們就逐漸認(rèn)識到這種技術(shù)對結(jié)構(gòu)抗震的重大意義，隨著這種技術(shù)的不斷進(jìn)步，將會有越來越多的建筑使用到這項技術(shù)，使建筑的抗震能力又進(jìn)一步提高。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 潘 鵬,葉列平，錢嫁茹，等.建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計與案例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[4] 張志強(qiáng)，李愛群.建筑結(jié)構(gòu)黏滯阻尼器減震設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Brief introduction to seismic design of viscous dampers

Chen Bin

(Shanxi Architectural Design and Research Institute, Taiyuan 030013, China)

This paper briefly introduced the structure, energy dissipation principle of viscous dampers, from the technology, economy two aspects, elaborated its technological advantages, and taking a middle school teaching building in Shanxi as an example, analyzed the design method increasing viscous damper in seismic structure, helpful to improve the seismic capacity of building.

seismic, isolation technology, viscous damper, frame structure

1009-6825(2017)16-0056-02

2017-03-13

陳 斌(1982- )，男，工程師

TU352

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