解析粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)減震設計中的運用

莫玉　陳婷婷　陳學昊

【摘 要】對粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)隔震設計中的應用要點進行了分析。首先對粘滯阻尼器的應用原理探討，文章依托某項目實例為研究背景，對該方法的應用過程進行了研究。

【關鍵詞】粘滯阻尼器; 框架結(jié)構(gòu); 減震設計; 運用

【中圖分類號】TU352.12【文獻標志碼】A

粘滯阻尼器是一種無剛度且和速度存在關系的阻尼器裝置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成比較簡單，減震效果是非常好的，所以被廣泛的使用到土木工程抗震領域內(nèi)。粘滯阻尼器的應用可以實現(xiàn)快速的消耗大量的能量，避免地震產(chǎn)生過大的影響，能夠有效減少樓層層間的位移量。

粘滯阻尼器在發(fā)達國家中的發(fā)展已經(jīng)十分成熟，并且在建筑行業(yè)中也得到了廣泛地運用。隨著社會科技的不斷發(fā)展，粘滯阻尼器技術(shù)的應用效果越來越明顯，并且在吸能減震方面得到了良好的回應。特別是在一些發(fā)達國家，尤其是地震帶上的國家，例如美國，其最容易受到地震、颶風等自然災害，這無形中對建筑物傷害也是最大的，特別是在加州一帶，為了減少自然災害對建筑物的損害，降低經(jīng)濟損失，因此，其在建筑項目中必須加入粘滯阻尼器，否則該建筑物將無法通過相關部門的審計，設計方案也獲取許可證，由此可見，粘滯阻尼器對建筑行業(yè)中起到了不可缺少的重要地位，在建筑行業(yè)中開辟了一片新天地。

該裝置的安全性比較好，但是當前的粘滯阻尼器在設計中依然有著明顯問題無法解決。基于此，本文以某工程的減震設計作為出發(fā)點，希望通過分析可以提升粘滯阻尼器的減震性能，滿足現(xiàn)代化建筑應用的需要。

1 粘滯阻尼器原理分析

粘滯液體阻尼器通常也被人們叫做是粘滯阻尼器，其內(nèi)部的組成很簡單，主要是油缸、活塞、阻尼孔、活塞桿等，活塞的結(jié)構(gòu)部件直接在油缸中實現(xiàn)往復的運動，經(jīng)過設置的阻尼孔部分，就能夠在內(nèi)部形成比較多的阻尼材料的液體。油缸和活塞在保持運動的過程中，由于活塞中的結(jié)構(gòu)部件有較大的壓力差，就會使得阻尼材料實現(xiàn)聯(lián)合運動，然后就會產(chǎn)生比較多的阻尼力。粘滯阻尼器的工作原理就是在應用中阻尼材料直接吸收振動所形成的能量，然后可以消除能量的影響，能夠減少振動的不良反應，提升總體的應用效果。阻尼器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是阻尼器外滑套必須與建筑結(jié)構(gòu)的活動端口連接在一起，而腔體端部需要與建筑物的的腔體部位連接在一起。當阻尼器的外滑套一旦發(fā)生變動時，則這個外滑套就會發(fā)生轉(zhuǎn)移，與活塞桿向腔桿的內(nèi)軸運動，從而形成一個結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的端點。阻尼器在運動過程中，結(jié)構(gòu)上的阻尼就會出現(xiàn)彈性膠體，接著就會產(chǎn)生巨大的阻抗力，將動能轉(zhuǎn)化成熱能，從而形成保護系統(tǒng)，有效地保護了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2 粘滯阻尼器的作用

很多建筑工程都引入了阻尼器，通過引用阻尼器可有效實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和抗震能力。如在軍事工程和抗爆工程中也引用了阻尼器。主要是通過若干個阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)柱中，可以有效地提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震能力，從而提升建筑物的安全性。在阻尼器系統(tǒng)中，粘滯阻尼器是目前唯一具有抗震、減少建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生位移的裝置，但是在安裝過程中其安裝技術(shù)和工藝很重要，因此，在安裝過程中想確保其安裝的手段和位置的合理性，這樣才實現(xiàn)抗震效果。合理的安裝能夠確保粘滯阻尼器的作用如下：

（1）具有良好的抗地震抗狂風的作用。

（2）用于大幅度鋼構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）用于超高層的鋼結(jié)構(gòu)建筑抗風的TMD系統(tǒng)。

（4）用于建筑物基礎的隔振建筑結(jié)構(gòu)。

（5）用于大型精密設備實驗室的減震。

（6）用于核電站、核島、機場指揮控制塔臺等重要建筑物。

（7）可以快速地將建筑工程中存在空隙的空間進行閉合，提高建筑體的穩(wěn)固性。

（8）軍事工程、抗爆工程的建筑結(jié)構(gòu)加固。

3 工程概況

某工程為市重點工程，從設計方案分析發(fā)現(xiàn)，該建筑是框架結(jié)構(gòu)形式，設計地震設防烈度是8度，地震分為第三組。結(jié)合該地區(qū)所設定的工程地震設防管理的標準和要求，該工程需要選擇應用最佳的減震技術(shù)，應用消能部件能夠減少地震造成的不利影響，以保證整體結(jié)構(gòu)安全的要求。

4 阻尼器參數(shù)及布置位置

4.1 附加有效阻尼比的計算

按GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震設計規(guī)范》進行設計，下文中簡稱《抗規(guī)》，《抗規(guī)》第 12.3.4 條明確規(guī)定了消能部件來確定阻尼比參數(shù)，設計計算公式如下所示：

ξ=ΣW/（4W） （1）

4.2 阻尼器布置原則及合理位置

阻尼器設定在相同的樓層結(jié)構(gòu)中，要按照均勻、分散、對稱等原則來進行設計，并且需要確保各個阻尼器的設定間隔距離控制在合理的范圍內(nèi)，一般都要控制在60 m以下。豎向布置設計應該達到連續(xù)、均勻的基本原則，在合理的設計之后可以保證其結(jié)構(gòu)設計更加的安全與穩(wěn)定。按照結(jié)構(gòu)設計的標準，分析目前的建筑結(jié)構(gòu)的綜合性能，在該項目的設計中主要是布置有27個粘滯阻尼器的分布數(shù)量見表1。設計中，該方案的粘滯阻尼器的非線性變形關系按式（2）計算：

F=CV（2）

式中：C為阻尼系數(shù)，按設計標準確定;α為阻尼指數(shù)，按照設計方案的要求來進行確定;V是結(jié)構(gòu)的強度性能。

5 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

5.1 結(jié)構(gòu)的減震目標

綜合分析上文中的《抗規(guī)》以及JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)教程》，下文簡稱《高規(guī)》，分析其中所包含的內(nèi)容，能夠充分的了解到當?shù)氐暮币姷卣鸢l(fā)展情況，分析減震設計的目標、粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)部件等方面，除了要達到建筑工程的安全性要求，還要了解其具體的節(jié)能標準和要求，能夠達到建筑工程的使用標準。

5.2 地震波的確定

結(jié)合上述國家標準和要求，進行地震震動分析與設計，應該從振幅、頻譜特性、持時的角度出發(fā)，選擇其中的5條強震記錄與2條人工模擬加速曲線，以分析地震產(chǎn)生之后所形成的作用和效果，能夠更好的應用抗震設計的結(jié)構(gòu)形式。

5.3 彈性時程分析

應用ETABS 軟件系統(tǒng)來進行減震與非減震模型方面的彈性時程方面的分析，能夠綜合分析兩種結(jié)構(gòu)形式在地震發(fā)生時所產(chǎn)生的影響。在具體的設計中，主要是通過使用連接單元Damper 模擬粘滯阻尼器。

5.4 減震結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析

從地震的彈塑性的模型方面進行抗震設計，這是非常重要的設計手段與方法，可以更好的保證當前的抗震設計效果，所以被廣泛的使用到抗震設計領域內(nèi)，產(chǎn)生非常好的效果。該工程在設計方案確定中，主要是通過SAP2000軟件實現(xiàn)減震系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計模擬和分析，能夠保證設計效果。在設計中，主要是通過系統(tǒng)內(nèi)連接單元Damper 模擬粘滯阻尼器。彈塑性時程分析的環(huán)節(jié)中，能夠在進行彈性分析的條件之下應用三條地震波進行計算和分析。結(jié)合具體的規(guī)范要求和現(xiàn)場的實際情況，確定合理的地震波的調(diào)動幅值參數(shù)。單向地震作用力的影響之下，地震波分別沿 X 向、Y 向輸入。按照《抗規(guī)》中的相應條件，為了能夠使得抗震的作用和影響之下使得其結(jié)構(gòu)性能符合要求，能耗機制符合標準，在結(jié)構(gòu)允許的條件之下可以將其注入塑性部件，而結(jié)構(gòu)耗能與結(jié)構(gòu)出鉸狀況和出鉸順序都會存在直接的聯(lián)系。

6 粘滯阻尼器布置及其參數(shù)設計

通過合理的應用耗能結(jié)構(gòu)部件來進行建筑工程項目的減震加固設計，本次設計中主要是通過效能減震裝置來實現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)減震加固設計中，要進行地震的多重作用之下來進行地震響應分析。通過結(jié)構(gòu)設計方式能夠?qū)崿F(xiàn)層間角的偏移設計、樓板加速度設計、底部剪力等方面來開展設計，可以保證阻尼器符合工程的使用要求，能夠滿足減震率的要求，能夠保證符合抗震標準，能夠明確具體的粘滯阻尼器數(shù)量以及位置。在設計方案確定之后，該工程中安裝了27個阻尼器裝置，主要是形成了消能的減震形式，該阻尼器中主要是在建筑工程的外圍結(jié)構(gòu)中布置相應的四榀框架的結(jié)構(gòu)，在各層中都設置有該結(jié)構(gòu)。初步設計完成之后，要結(jié)合我國的當前抗震設計規(guī)范和標準，能夠了解當?shù)氐牡卣鸢l(fā)生實際情況，然后合理進行地震操作變形的分析與驗算。粘滯阻尼器在進行技術(shù)參數(shù)設計中，能夠了解具體的綜合減震設計標準，了解具體的阻尼器中的結(jié)構(gòu)設計所造成的影響，因此應該實現(xiàn)各個參數(shù)的協(xié)調(diào)與分析設計，確保其減震響應比較小，同時還能夠保證主體結(jié)構(gòu)在地震的作用之下所產(chǎn)生的底剪力相對較小，能夠在允許的范圍之內(nèi)，不會產(chǎn)生嚴重的后果。在本次工程設計方案的確定中，通過模擬分析的方式，可以確定最佳的抗震結(jié)構(gòu)模型，確保其各項的抗震設計參數(shù)和結(jié)構(gòu)的性能都能符合要求，符合具體的減震性能標準要求，且不會給整個結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生不利的影響。

7 結(jié)論

粘滯阻尼器應用到當前的建筑工程中的減震結(jié)構(gòu)設計環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的抗震性能做出分析，能夠有著比較高的效果和性能。本文以實際案例展開分析，經(jīng)過設計與驗算，總體抗震效果比較好，產(chǎn)生非常高的實際應用價值。

參考文獻

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[定稿日期]2021-03-02

[基金項目]四川水利職業(yè)技術(shù)學院院級科研項目（項目編號：KY2019-11）

[作者簡介]莫玉（1990～），女，碩士，講師，主要從事建筑抗震及綠色建筑相關科研和教學工作。