深圳某學(xué)校采用粘滯阻尼墻的抗震設(shè)計(jì)分析

潘志昆 刁子坤 雋杰龍 黃文虹

(1.中國(guó)建筑一局(集團(tuán))有限公司華南區(qū)域公司，廣東 深圳 518000； 2.江蘇美城建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 淮安 223005； 3.江蘇鴻升建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 淮安 223005； 4.淮安市高新控股有限公司，江蘇 淮安 223005)

我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，地震給我國(guó)帶來(lái)嚴(yán)重的損失，因此對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的研究是一個(gè)長(zhǎng)期攻克課題[1,2]。傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)是利用結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行抵抗地震作用，此方法是采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件硬抗方法，因而受到地震破壞明顯。現(xiàn)代抗震設(shè)計(jì)通過在結(jié)構(gòu)物合適位置添加某種裝置，利用其先于結(jié)構(gòu)主體破壞來(lái)達(dá)到消耗地震能量，減小地震對(duì)主體結(jié)構(gòu)的破壞，因此這種消能減震設(shè)計(jì)概念已廣泛運(yùn)用[3-5]。

粘滯阻尼墻作為一種新型消能減震構(gòu)件，在工程界應(yīng)用較少[6]。地震作用下，上下樓層不同的運(yùn)動(dòng)速率導(dǎo)致粘滯阻尼墻上下鋼板產(chǎn)生剪切作用，其中阻尼墻的內(nèi)鋼板在粘滯液剪切變形過程中摩擦消耗地震能量，從而達(dá)到消能作用[7]。在某中學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，考慮建筑重要性，采用粘滯阻尼墻作為消能構(gòu)件，利用ETABS軟件進(jìn)行多遇地震和罕遇地震抗震設(shè)計(jì)分析，結(jié)果顯示粘滯阻尼墻可有效降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)，提高建筑的抗震性能，發(fā)揮很好的抵御地震的效果。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于深圳坪山新區(qū)馬巒街道東縱路與規(guī)劃沙新路交匯處，總建筑面積為53 600 m2，主要的教學(xué)樓通過設(shè)縫分為三個(gè)單體，教學(xué)樓6層，屋頂標(biāo)高為23.150 m，教學(xué)樓內(nèi)設(shè)置粘滯阻尼墻。該建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g，抗震設(shè)防為重點(diǎn)設(shè)防，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，結(jié)構(gòu)抗震措施按照8度設(shè)防烈度考慮。利用ETABS建立有限元模型，如圖1所示。阻尼墻安裝樣圖見圖2。

根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)等條件，消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬采用框架—粘滯阻尼墻(VFW)的結(jié)構(gòu)形式。粘滯阻尼墻布置在結(jié)構(gòu)2層～6層，X向布置25個(gè)，Y向布置33個(gè)，共計(jì)81個(gè)；阻尼器參數(shù)如表1所示；設(shè)定小震附加阻尼比為2%。

表1 粘滯阻尼墻參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用ETABS分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，對(duì)比無(wú)控模型與設(shè)置阻尼器結(jié)構(gòu)的自振特性，無(wú)控模型周期為1.16 s，有控模型為1.25 s，自振周期幾乎沒有變化，表明粘滯阻尼墻只提供附加阻尼比而不提供附加剛度。

2.1 地震波選取

本工程采用3條地震記錄進(jìn)行時(shí)程分析，本分析選取三條波進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，其中T1(Big Bear-01_NO_940)和T2(Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3283)為天然波，R1(RH1TG035)為人工波，分析時(shí)間分別取前20 s，20 s和15 s，地震波時(shí)程曲線如圖3～圖5所示。對(duì)所選取的3條地震波進(jìn)行頻譜分析(如圖6所示)，時(shí)程譜均包絡(luò)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，符合規(guī)范要求。

其彈性時(shí)程分析結(jié)果與SATWE振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果對(duì)比如表2所示，比例為各個(gè)時(shí)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，從分析結(jié)果可看出，三條時(shí)程曲線計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)基底剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，且三條時(shí)程曲線計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，所選取的地震波滿足規(guī)范要求。

表2 基底剪力對(duì)比

2.2 阻尼器模擬

在ETABS的時(shí)程分析模型中，粘滯阻尼墻(VFW)采用Damper連接單元模擬，如圖7,圖8所示。

2.3 多遇地震下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)

在多遇地震作用下，無(wú)控模型與有控模型結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖9所示。與無(wú)控模型相比，有控模型最大層剪力降低約10%。設(shè)置粘滯阻尼墻結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下X向最大層間位移角為1/1 191，Y向的最大層間位移角為1/1 200(見圖10)，有控結(jié)構(gòu)各層間位移角約為無(wú)控結(jié)構(gòu)層間位移角的60%～70%,符合規(guī)范要求的不大于1/550且滿足不帶1/800的性能目標(biāo)。

2.4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)

彈塑性時(shí)程分析過程考慮材料非線性；采用小變形假定；不考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。對(duì)于運(yùn)動(dòng)微分方程的求解，選擇程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系數(shù)為-1/48。

由罕遇地震作用下層間位移角結(jié)果可知，設(shè)置粘滯阻尼墻結(jié)構(gòu)最大層間位移角X向?yàn)?/202，Y向?yàn)?/209，滿足性能設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，同時(shí)滿足抗震規(guī)范中規(guī)定大震性能指標(biāo)即小于1/50，如圖11所示。

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，為了保證結(jié)構(gòu)“大震不倒”，且在地震作用下具有合理的耗能機(jī)制，允許結(jié)構(gòu)在大震作用下部分構(gòu)件進(jìn)入塑性。列舉在T1地震波作用下結(jié)構(gòu)在大震彈塑性分析中的最終出鉸狀態(tài)(見圖12)。

可以看出，大震下，框架梁屈服狀態(tài)為B，為輕微屈服，大部分框架柱保持彈性，沒有出現(xiàn)屈服；框架梁的塑性鉸出現(xiàn)在兩端，且損傷程度大于框架柱，符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求，損傷機(jī)制合理。

2.5 阻尼墻滯回性能

滯回曲線反映的是阻尼墻在地震作用下的變形、剛度退化及能量耗散情況。圖13為兩個(gè)方向阻尼墻在罕遇地震作用下的滯回曲線，滯回曲線飽滿，位移行程較大，表現(xiàn)出粘滯阻尼墻在行程范圍內(nèi)有較大的耗能效果，可降低梁柱等受力構(gòu)件的損傷，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 結(jié)論

本節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析和大震彈塑性時(shí)程分析，計(jì)算了在三條地震波下減震結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

1)小震下，減震結(jié)構(gòu)X向和Y向最大位移角分別為1/1 191，1/1 200，滿足規(guī)范要求；粘滯阻尼器在X向和Y向附加阻尼比分別為2.20%，2.48%，可以有效減小結(jié)構(gòu)地震作用，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。

2)大震下，減震結(jié)構(gòu)X向和Y方向最大位移角分別為1/202,1/209，滿足規(guī)范要求；框架梁屈服狀態(tài)為B，為輕微屈服，框架柱大部分保持彈性，沒有出現(xiàn)屈服；框架梁的塑性鉸出現(xiàn)在兩端，且損傷程度大于框架柱，符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)要求，損傷機(jī)制合理。大震下繼續(xù)處于耗能狀態(tài)，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)；其滯回曲線飽滿，耗散了大量地震作用。

3)大震下與粘滯阻尼器相連接的框架梁、柱均處于B狀態(tài)或者彈性，均未及C狀態(tài)，表明在大震作用下子結(jié)構(gòu)受力小于構(gòu)件極限承載力，滿足子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。