采用粘滯阻尼器的高層鋼結構減震設計研究

宋 鶴，郭 棟

（山西四建集團有限公司，山西太原 030000）

0 引言

在19 世紀末，粘滯阻尼器因其對溫度不靈敏等特點，建筑行業大多數設計人員認為有減震耗能作用，對建筑物的抗震性能的品質提供良好保障。目前，減震耗能技術已發展成熟，它可以應用在新建建筑物上或已有建筑結構中，體現出結構減震耗能效果。但是，對設計員來說，建筑物加上粘滯阻尼器，衡量抗震效果的作用才是設計的主要任務。本文針對上述問題，采用美國Computer and Structure Inc 企業研發出ETABS 軟件分析建筑主體結構在遭受地震影響下的時程效應，進行進一步研究。

1 工程概況

該項目位于晉中市北部，烏金路以東，文華街以北，大學街以南。圖1 為應用有粘滯阻尼器的實訓樓效果圖，本工程1#、2#實訓樓長 72.8m，寬 21.4m，建筑總高度 26.550m，地上 5 層；3# 和3-1#實訓樓長81.9m，寬21.4m，建筑總高度24.730m，地上5 層；連廊兩個，連接1#和2#、2#和3#實訓樓，長36.18m，寬27.90m，建筑總高度10.130m，地上一層；均采用鋼框架結構。實訓樓結構使用設計年限50 年，安全等級為二級，建筑抗震設防類別丙類，地面粗糙度類別C 類，抗震設防烈度為Ⅷ度，地震加速度0.20g，設計地震分組為第二組。圖2 為粘滯阻尼器內部結構及實物簡圖。

圖1 實訓樓鋼結構效果

圖2 粘滯阻尼器內部結構及實物

2 粘滯阻尼器概述

粘滯阻尼器結構由幾部分構成。活塞桿在腔體循環運動時，粘滯流體由孔洞流出，從而對腔體和活塞桿產生反向阻尼，進而消耗地震能量，如圖3 所示。

圖3 阻尼器結構

阻尼器中粘滯阻力和速度因素有關，圖4 為粘滯阻力與速度呈現的函數關系和滯回曲線，具體函數關系如式（1）。

圖4 粘滯阻力與速度關系和滯回曲線

式中：F——粘滯阻力，kN；C——粘滯阻力系數，[kN/（mm/s）]α；V——速度，（mm/s）；α——速度指數，α 為1h，是線性阻尼器；α不為1h，是非線性阻尼器，隨著α 的減小，能量消耗強度越高。α 的常用范圍為0.15～0.40。

粘滯阻尼器能有效影響結構的阻尼比，因此應用粘滯阻尼器能有效降低結構的地震響應。本項目采用的粘滯阻尼器的布置型式為人字支撐形式，如圖5 所示。

圖5 粘滯阻尼器立面布置

3 耗能減震方案

減震目標為阻尼器提供附加阻尼比，近一步減小地震所帶來能量的沖擊，提高結構抗震性能。

阻尼器的布置應滿足建筑使用要求，并通過時程分析，反復優化調整確定，本項目在地上一層和二層兩個主軸的合適地點布置粘滯阻尼器，共計8 組，X、Y 向均布置4 組，阻尼器參數如表1 所示，平面布置如圖6 所示。

表1 實訓樓粘滯阻尼器參數

圖6 地上1～2 層消能構件平面布置（每層4 個）

4 彈性時程分析

4.1 模型建立

利用ETABS 建立三維模型，對結構進行模態研究，得出低階模態周期、基底剪力及質量，與盈建科模型分析結果進行對比，如表2 所示。

表2 盈建科模型和ETABS 模型對比

由表2 中數據可知，兩種模型分析所得最大差異指標為基底剪力，相差5.96%，其余指標相差均小于2%，在多遇地震下，兩種模型振動響應趨勢基本一致，證明了ETABS 模型分析的可靠性。

4.2 地震波的選取

粘滯阻尼器在不同地震波的影響下，會產生不同的耗能效果及附加阻尼比。本文對實訓樓的研究，選取三條時程曲線進行分析，分別為天然波一 Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2952（T01），天然波二Northridge-01_NO_953（T02）及人工波三ArtWave-RH4TG055（T03），圖7 為三種地震波曲線，持續時間見表3。表4 為基底剪力對比結果。

表3 時程曲線持續時間

圖7 地震波

表4 時程分析基底剪力

由表4 數據可知，三組時程曲線分析所得的結構基底剪力均大于振型分解反應譜計算結果的65%；三組時程曲線分析所得的結構基底剪力的時程平均均大于振型分解反應譜計算結果的80%；三組時程曲線所得的有效持續時間與結構基本周期的比值均大于5.0，滿足規范要求。

4.3 粘滯阻尼器計算結果及等效阻尼比

圖8 所示分別為X、Y 向粘滯阻尼器的滯回曲線。兩向阻尼器的滯回曲線較為飽滿，具有良好的耗能能力。

圖8 X、Y 方向粘滯阻尼器滯回曲線

從表5 可以得出，粘滯阻尼器在三組地震波中，可以為結構提供的最小附加阻尼比為1.4%。

表5 附加阻尼比計算

5 大震彈塑性分析

5.1 模型建立

應用PERFORM-3D 軟件進行大震彈塑性分析，建立三維有限元模型，如圖9 所示。混凝土不考慮其受拉作用，受壓采用Mander 模型，主體結構梁、柱的彎曲破壞采用集中塑性鉸進行模擬，梁采用M 鉸，柱采用PMM 鉸。圖10 為粘滯阻尼器的組件模型。

圖9 PERFORM-3D 建立模型

圖10 粘滯阻尼器的組件模型

5.2 整體地震反應評估

圖11、13 為層間位移與層間位移角曲線，圖12、14 為層間剪力與層間傾覆力矩曲線。圖11～圖14 表明：在大震作用下，在X向的結構頂部最大位移為0.268m；在Y 向結構頂部最大位移為0.271m；在X 向上結構的最大層間位移角為1/78，在Y 向上結構的最大層間位移角為1/85。最大彈塑性層間位移角都符合規范1/50 的下限。圖11～圖14 表明：在大震影響下，X 向上結構的最大基底剪力為16218.81kN；Y 向上結構的最大基底剪力為16570.44kN。最大層間傾覆力矩 X 向為 402312.59kN·m，Y 向為318110.06kN·m。以上結果說明：結構在大震影響下部分構件已經屈服，有塑性變形出現，承載力、剛度均下降，但仍有保證“大震不倒”的剛度、承載能力。同時由表6 可知，大震下計算所得的阻尼器的附加阻尼比約為1.1%。

圖11 X 及Y 最大層位移曲線

圖12 X 及Y 最大層剪力曲線

圖13 X 及Y 最大層間位移角曲線

圖14 X 及Y 最大層傾覆力曲線

表6 消能減震結構附加阻尼比

6 結論

（1）本文應用粘滯阻尼器的耗能減震技術滿足了結構在地震中的安全需求，從而提高的工程項目的質量。

（2）粘滯阻尼器在小震下能有效降低其所帶來的動力響應。

（3）結構在遭受罕遇地震下，滿足最大層間位移角不大于抗震性能目標中的層間位移角限值1/50 的條件。

（4）粘滯阻尼器在罕遇地震作用下仍能夠正常工作，起到主要耗散地震輸入能量的作用，減少框架梁和柱的塑性耗能需求。