某框架結構消能減震分析

榮 帆

(太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024)

某框架結構消能減震分析

榮 帆

(太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024)

通過對某框架結構進行分析，重點討論了結構增設粘滯阻尼器后在多遇地震、罕遇地震下的整體力學性能，得出結構在罕遇地震下的彈塑性發展趨勢。結果表明，合理設置粘滯阻尼器可增加結構阻尼比，減小地震響應，起到預期消能減震的效果。該結構位移角滿足規范要求，同時有效改善了結構薄弱層的抗震性能。

消能減震，粘滯阻尼器，罕遇地震，薄弱層

1 工程概況

山西省某建筑為地上3層，地下1層，結構高度16.29 m，平面總長62 m，總寬44.3 m。建筑面積為7 207.26 m2。結構形式為鋼筋混凝土框架結構。建筑功能為公共圖書館，且為當地標志性建筑。該建筑擬采用消能減震技術，以達到減小結構構件截面，提高結構整體抗震性能的目的。

2 結構設計參數

1)自然條件。a.場地的工程地質：場地土的類型為中軟場地，場地類別Ⅲ類。b.風荷載：基本風壓：按50年一遇的基本風壓采用，取0.4 kN/m2。c.地面粗糙度：B類。d.地震參數：抗震設防烈度：8度；基本地震加速度0.20g；設計地震分組：第二組。

2)結構設計標準。a.結構設計年限：50年。b.結構設計等級：抗震措施所采用抗震設防烈度：8度；鋼筋混凝土結構的抗震等級：框架二級；抗震設防類別：丙類。c.結構消能減震要求：通過設置粘滯阻尼器以增加結構的安全度，擬附加3%的阻尼比。

3 消能減震裝置的設計與布置

3.1 阻尼器布置的原則

1)在多遇地震下，其主體結構保持彈性，非結構構件無明顯損壞；在罕遇地震考慮下，其減震阻尼器系統能正常發揮功能。2)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。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,同時應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，包含不同地震級別下的結構彈塑性分析。

3.2 消能減震裝置的布置方案

在本工程減震分析中，將16組粘滯阻尼器安裝在原結構上。

所選用的粘滯阻尼器規格和數量詳見表1。粘滯阻尼器及支撐的平面在平面均勻布置，且盡可能布置于內力、位移較大處。

表1 附加粘滯阻尼器的布置方案及設計參數

3.3 地震波的選取

GB 50011—2010建筑抗震設計規范以下簡稱《抗規》5.1.2條規定：采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組時程的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。彈性時程分析時，每條時程計算的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜計算結果的65%，多條時程計算的結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

本工程實際選取了5條強震記錄和2條人工模擬加速度時程，基底剪力與反應譜結果相比：最小值72%，最大值107%，平均值81%。滿足規范相應要求。

《抗規》規定：輸入的地震加速度時程曲線的有效持續時間，一般從首次達到該時程曲線最大峰值的10%那一刻算起，到最后一點達到最大峰值的10%為止；無論是實際的強震記錄還是人工模擬波形，有效持續時間一般為結構基本周期的5倍～10倍。本項目選取的七條地震波有效持續時間與結構基本周期的最小比值為20.85，滿足規范要求。

4 消能減震分析

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。對于多遇地震作用下的彈性工況分析基于ETABS軟件進行。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等。

4.1 多遇地震作用下消能減震結構彈性分析

基于ETABS模型，對消能減震結構進行多遇地震作用下的彈性分析。考慮到本工程底層的位移反應較大，因此僅選取消能減震結構阻尼器，其滯回曲線顯示：減震結構中X向和Y向阻尼器表現出較好的消能能力。

4.2 阻尼器附加阻尼比

本工程中粘滯阻尼器附加給結構的等效阻尼比按應變能法計算。消能減震結構在水平地震作用下的總應變能可按GB 50011—2010建筑抗震設計規范第12.3.4條款估算。通過ETABS軟件分析計算，消能器附加結構的阻尼比：X方向為9.5%，Y方向8.1%。由此可以看出結構消能器的附加阻尼比能達到3%的要求。

4.3 罕遇地震作用下動力彈塑性非線性地震反應分析與抗震性能評價

4.3.1 分析方法

通過彈塑性分析，擬達到以下目的：1)對結構在罕遇地震作用下的非線性性能給出定量(性)解答，研究本結構在罕遇地震作用下的變形形態、構件的塑性及其損傷情況，以及整體結構的彈塑性行為，具體的研究指標包括最大頂點位移、最大層間位移及最大基底剪力等；2)給出結構的塑性發展過程，描述各構件出現塑性的先后次序，分析結構的屈服機制并對其合理性作出評價；3)研究結構關鍵部位、關鍵構件的變形形態和破壞情況，重點考察的部位主要包括但不限于下列部位：結構的加強部位等；4)論證整體結構 在罕遇地震作用下的抗震性能，尋找結構的薄弱層或(和)薄弱部位；5)根據以上研究成果，對結構的抗震性能給出評價，并對結構設計提出改進意見和建議。本工程的彈塑性分析將采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法直接模擬結構在地震力作用下的非線性反應。為達到罕遇地震作用下防倒塌的抗震設計目標，根據《建筑抗震設計規范》，取彈塑性最大層間位移角限值為1/50。通過彈塑性時程分析得出阻尼器的最大位移和最大速度為設計提供參數依據。

4.3.2 分析模型驗證

該工程采用PERFORM-3D軟件進行彈塑性分析。將PERFORM和PKPM模型計算得到的質量、周期進行對比，見表2，表3，表中差值=丨PERFORM- SATWE丨/SATWE×100%。

綜合上述數據可以看出，原結構PERFORM模型與PKPM模型的結構質量和計算周期的差異較小，能真實地反映結構的基本特性。

表2 原結構模型質量對比

表3 原結構模型周期對比

4.3.3 ST1消能減震結構設防地震和罕遇地震響應分析

基于前面的彈性分析結果，選擇其中地震響應相對較大的三條時程波進行罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析。為減少彈塑性時程分析的計算工作量，在保留其波峰特征及有效持時的前提下統一截取其20 s時長進行彈塑性計算，其計算結果見表4。

表4 彈塑性層間位移角

由上述計算結果可知，消能減震結構(ST1)的層間位移角都滿足規范1/50的限值要求(不考慮頂層小塔樓)，這充分說明結構采用粘滯阻尼器進行消能減震設計是切實有效的。

4.3.4 消能減震結構的彈塑性發展

以反應最大的aw時程波為代表，對消能減震結構進行罕遇地震作用下的彈塑性屈服機制分析。結果表明，子框架主要構件在罕遇地震作用下基本處于彈性。

由上述分析可知，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，且在結構中的帶阻尼器子框架沒有達到極限承載力出現破壞，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，使得整體結構具有良好的抗震性能，有利于實現“大震不倒”的設防目標。

5 結語

使用ETABS軟件和PERFORM-3D對減震結構在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，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，主要體現在以下幾個方面：1)在結構中共設置粘滯阻尼器16個，通過7條時程波的計算分析，得出多遇地震作用下阻尼器所提供的等效附加阻尼比約為6%，在設計時考慮阻尼器給結構提供安全性，同時考慮阻尼器附加阻尼比為3%。2)結構在8度罕遇地震時X，Y向的最大層間位移角則分別為1/110，1/118，滿足規范要求的1/50要求。3)基于多遇、罕遇地震作用下結構采用粘滯阻尼器減震設計之后，改善了原結構薄弱層的抗震性能。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范(2016年版)[S].

[2] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術規程(2013年版)[S].

On analysis of energy dissipation of some frame structure

Rong Fan

(ArchitecturalDesignandResearchInstitute,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on the analysis of a frame structure, discusses the structure of viscous dampers in the earthquake, the whole mechanical performance under severe earthquake, the structure under rare earthquake elastic-plastic development trend. The results show that a reasonable set of viscous dampers can increase the damping ratio of the structure and reduce the seismic response, thus achieving the desired effect of energy dissipation. The displacement angle of the structure meets the requirements of the code, and the seismic performance of the weak layer of the structure is effectively improved.

energy dissipation, eiscous damper, rare earthquake, weak layer

1009-6825(2017)21-0039-02

2017-05-16

榮 帆(1983- )，男，工程師

TU352.1

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