布置軟鋼阻尼器結構的減震設計研究
——某中學學生宿舍為例

王偉WANG Wei；潘月輝PAN Yue-hui

（①安徽海螺水泥股份有限公司，蕪湖 241000；②浙江浙工大檢測技術有限公司，杭州 310000）

0 引言

地震是目前還不能短期準確預報的自然災害，歷次大地震都導致大量的房屋破壞，造成了大量的經濟損失和人員傷亡。隨著經濟的發展，人們對建筑結構的抗震性能也就提出了更高的要求。如何進一步提高建筑結構的抗震性能，滿足人民對建筑安全性日益增長的需求，值得工程界思考。近些年來，減震技術正逐步成為工程界提高建筑結構的抗震性能的新技術。減震即是在結構合理位置上布置一定數量的消能器，當結構遭受地震作用時，消能器耗能，先于主體結構破壞，從而有效的減輕地震對建筑結構造成的沖擊和破壞，保護建筑主體結構的安全，消能器相當于布置在結構上的“保險絲”。

盡管結構的減震設計流程基本相同，但是由于不同種類消能器的消能原理不同，同時每一棟建筑的動力特性及其所處建設場地也不同，導致每一棟建筑減震設計結果存在差異，在阻尼器先于主體結構屈服耗能的要求下，減震分析得到消能器的力學參數僅僅適用于該建筑，這就是結構減震分析的難點。本文以某中學宿舍樓工程為例，布置軟鋼阻尼器，依據規范要求，采用有限元軟件進行時程分析，研究布置軟鋼阻尼器宿舍樓工程的抗震性能，闡述減震消能技術，為類似工程提供參考。

1 工程概況

安徽某中學學生宿舍地上五層建筑，無地下室。結構體系為鋼筋混凝土框架，建筑高度19.95m。建筑總面積為1832m2?？拐鹪O防烈度為7 度（0.1g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。設計地震分組: 第三組，特征周期值0.45s，學生宿舍屬于乙類建筑，抗震設防類別為重點設防。

考慮到項目為中學學生宿舍，建筑的使用者為弱勢群體—學生，需要提高地震作用下的安全性，經過與建設方協商，擬對項目采用減震技術，以進一步提高工程地震安全性。

2 阻尼器的選擇與布置

在眾多減震產品中，軟鋼阻尼器采用軟鋼制作耗能部件，充分利用軟鋼剪切屈服強度低、延性好等優點，通過合理的產品設計，在地震作用時，軟鋼阻尼器能夠先于主體結構進入屈服狀態，利用軟鋼屈服后的累積塑性變形，來達到消耗輸入結構地震能量的目的。軟鋼阻尼器[1-2]可以提供一定的抗側剛度，具有延性比大、耗能較大以及經濟性好等優點，考慮工程投資，綜合比較，本工程擬采用軟鋼阻尼器作為項目的消能減震器。

軟鋼阻尼器采用鋼筋混凝土懸臂墻（尺寸：長1500mm×寬200mm）與主框架梁相連，這種連接方式阻尼器耗能效率最高且可靠，但是對建筑使用功能有會一定的影響。經過多專業協商，并考慮軟鋼阻尼器應盡可能布置在地震作用時結構變形較大的位置。通過反復試算，最終確定在樓層的一～三層布置軟鋼阻尼器，阻尼器布置在結構的端部，該部分地震作用下變形較大。沿結構的兩個主軸方向各布置4 個，合計24 個軟鋼阻尼器。

3 建模與地震波選取

3.1 模型的建立

考慮到當前結構設計是以盈建科軟件與PKPM 軟件為依據的現狀，本項目采用PKPM 軟件建立模型，初步分析結果表明結構設計滿足相關的國家與地方相應的標準要求。由于PKPM 軟件沒有模擬阻尼器的單元，且不能進行罕遇地震作用下結構的彈塑性時程分析，研究采用大型有限元Madis Gen 完成宿舍樓的減震分析。使用軟件Madis Gen 分別建立原結構模型與減震結構模型，其中減震結構模型如圖1 所示。減震結構模型中，梁柱均采用框架梁單元模擬；利用Madis Gen 中非線性彈性支承模擬軟鋼阻尼器，在軟件中需要指定阻尼器的剛度、屈服力、屈服位移；鋼筋混凝土懸臂墻采用平面應力單元模擬。

圖1 Madis Gen 減震有限元模型

3.2 地震波的選取

時程分析選取2 條實際地震加速度時程和1 條人工模擬加速度時程。這三條地震波的有效持續時間大于結構基本周期的10 倍。采用振型分解反應譜與多遇地震下彈性時程分析，得到原結構的底部剪力如表1 所示。三條地震加速度時程擬合得到加速度反應譜，計算得到原模型的前三階周期所對應的地震影響系數，并與規范反應譜計算的原模型的前三階周期所對應的地震影響系數進行對比，如表2 所示。

表1 原結構底部剪力對比

從表1 與表2 的結果可以看出，滿足《建筑抗震設計規范》[3]（GB50011-2010）5.1.2 款的規定。因此，三條地震波滿足本項目的減震時程分析要求。

表2 三條時程反應譜與規范反應譜曲線對比表

4 結構抗震的時程分析

地震作用下結構的分析，通常采用兩階段的分析方法，即①多遇地震作用下，考慮結構彈性的時程分析，即保證“小震不壞”；②罕遇地震作用下，考慮結構發生部分彈塑性的時程分析，即保證“大震不倒”。兩階段的分析結果均應滿足規范[3]相應的規定。

4.1 多遇地震作用下的彈性時程分析

僅考慮軟鋼阻尼器的非線性，采用快速非線性分析（FNA）法，輸入如前所述的三條地震波，對模型進行多遇地震作用下的彈性時程分析，地震波的峰值加速度取35cm/s2。依據類似工程經驗，初步選取軟鋼阻尼器屈服力為200kN，屈服位移為1mm，屈服后剛度比為0.02。減震結構的層間位移角如表3 所示。

從表3 可以看出，增加軟鋼阻尼器后，結構的層間位移角最大為1/1152，小于1/550，滿足規范要求，結構滿足“小震不壞”的設防目標。最大層間位移角較規范要求值減少了52.3%，達到預期的減震性能目標，結構存在較高的安全儲備，具備抵御較大地震的能力。

表3 減震結構層間位移角（rad）

減震結構軟鋼阻尼器出力與樓層層間屈服剪力比值，如表4 所示。

由表4 可以看出：對于布置軟鋼阻尼器的樓層，軟鋼阻尼器出力與樓層層間屈服剪力比值略大于20%，表明軟鋼阻尼器承擔了部分樓層剪力，但是軟鋼阻尼器出力之和又小于樓層層間屈服剪力的60%，也表明軟鋼阻尼器承擔的剪力沒有過大，滿足規范要求[4]。

表4 減震結構阻尼器出力占樓層剪力比值表

另外多遇地震作用下，軟鋼阻尼器的位移基本小于1mm，表明：在多遇地震作用下，軟鋼阻尼器沒有屈服耗能，僅為結構提供側移剛度，未給結構提供附加阻尼比。

4.2 罕遇地震作用下的彈塑性時程分析

罕遇地震作用需要考慮結構產生塑性，因此研究對沒有布置軟鋼阻尼器的主框架梁柱設置Midas 自帶的非彈性集中鉸，梁柱實配主要受力鋼筋，形成罕遇地震作用下的分析模型。分別單向輸入三條地震波，地震波的峰值加速度調整為220cm/s2，對模型進行罕遇地震下的彈塑性時程分析。

罕遇地震作用下，減震結構的層間位移角計算結果如表5 所示。

表5 減震結構層間位移角

罕遇地震作用下，減震結構的X、Y 向彈塑性最大層間位移角分別為1/264、1/253，均小于1/50，滿足規范的限值要求，達到了“大震不倒”的設防目標。最大層間位移角較規范要求提高了80.2%，達到預期的減震性能目標，結構存在較高的安全儲備，有抵御較大地震的能力。

罕遇地震作用下，原結構的層間位移角計算結果如表6 所示。原結構的最大層間位移角與減震結構的最大層間位移及二者的比值如表7 所示。

表6 原結構層間位移角

表7 原結構、減震結構最大層間位移角及比值

注：比值=減震結構位移角/原結構位移角×100%.

從表6 可以看出，罕遇地震作用下，原結構的X、Y 向彈塑性最大層間位移角分別為1/171、1/175，均小于1/50，也滿足規范的限值要求。從表7 可以看出，減震結構大部分樓層的層間位移小于原結構相應樓層的層間位移。這表明了軟鋼阻尼器減震的效果較為明顯。

圖2 為罕遇地震作用下，布置在X 方向與Y 方向軟鋼阻尼器的典型滯回曲線。從圖2 可以看出，軟鋼阻尼器滯回曲線飽滿，包裹的面積較大，表明軟鋼阻尼器耗能充分，同時這也說明主體結構在地震作用下的安全性有保障。另外罕遇地震作用下結構出鉸圖也表明，結構首先梁出現塑性鉸，然后柱出現塑性鉸。對于布置阻尼器的框架梁柱部分，梁柱均未出現塑性鉸。

圖2 軟鋼阻尼器滯回曲線

通過對減震模型進行多遇地震作用下彈性時程分析與罕遇地震作用下的彈塑性時程分析分析，研究最終得到了本工程軟鋼阻尼器的力學參數，如表8 所示。

表8 軟鋼阻尼器力學參數

5 結論

通過對布置軟鋼阻尼器的某中學學生宿舍樓進行減震分析研究，得出了布置阻尼器的結構進行減震設計要點，同時減震分析的結果表明：布置軟鋼阻尼器后，減震結構的層間位移角小于原結構的層間位移角，且滿足規范要求，結構的抗震性能得到較大提高，結構有一定的安全冗余量。罕遇地震作用下，軟鋼阻尼器耗能充分，先于主體結構屈服耗能，對主體結構起到了保護作用。研究也得到了適合本工程減震的軟鋼阻尼器力學參數，為軟鋼阻尼器加工生產提供了理論依據。