粘滯阻尼器在某醫院住院樓中消能減震分析與設計

曾綺琪

(廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006)

0 前 言

隨著經濟發展，建筑的抗震性能要求越來越高，目前，人們常常通過安裝消能減震設備來提高建筑的安全儲備，以此實現委托方提出的相關減震設計目標[1-2]。本文以某醫院住院樓的框架結構建筑為例，進行粘滯阻尼器減震設計，保證該結構在多遇地震作用下的正常使用性能。在ETABS軟件中，首先建立了可靠的結構無控模型。然后，使用MATLAB程序[3]選取7條合適的地震波，并使用e2k文件輸入地震波參數。較傳統的選波方式，該法可節約大量時間，并減少模型失誤。由此，得到了基于ETABS軟件建立的有控模型。通過選取的地震波，對結構進行多遇地震作用下的時程分析。最后，對比分析了增加粘滯阻尼器和原本結構的部分動力響應，通過層間剪力、層間位移角等參數有無控后的變化以及能量法測算的粘滯阻尼器的耗能情況可以得出該粘滯阻尼器布置方案的可行性。

1 工程概況及模型建立與驗證

圖1為結構的空間桿系有限元分析模型，計算對比見表1。由表1可知，將結構的PKPM模型與ETABS模型的周期計算加以比較，結果表明，結構所建ETABS模型11階振型的周期與PKPM計算結果的基本一致，所有的誤差基本低于10%。同時，ETABS模型的總質量為39 248.11 t，設計院提供的SATWE模型總質量則為40 342.15 t，誤差率只有2.79%。根據上述計算的結果，可以把ETABS得到的無控模型用來作為非減震結構的動力響應計算的基準模型[4-5]，并在后續進行消能減震分析。

圖1 結構三維有限元分析模型

表1 結構動力特性計算結果及其對比

2 輸入地震動評價

輸入地震動的頻譜特性是會影響結構的動力響應的，若地震動主要頻率成分與結構頻率接近，結構的地震動響應就會加強[6-7]，《建筑抗震設計規范》(GB 5011—2010)[8]中對地震波選取的多條要求中，有一條較難實現。這要求時程分析法中算得的每條地震波的結構底部剪力和7條地震波得到的結構底部剪力平均值分別不應小于振型分解反應譜法所得結果的65%、80%。使用過去方法選波，需要對剪力進行驗算，該法本末倒置且選波效率低。為了滿足上述規范的所有要求，本文根據地震波庫的頻譜分析，采用MATLAB程序，選用了2條人工合成的地震波和5條天然地震記錄的地震波，一共7條地震波。然后使用e2k命令文件，將地震波和時程分析參數導入到ETABS模型中得到有控模型[9]。其中，標準化后的地震波時程曲線如圖2所示。

(a) RH1TG055波(DZ1)

(b) RH3TG055波(DZ2)

(c) Big Bear-01_NO_905波(DZ3)

(d) Big Bear-01_NO_932波(DZ4)

(e) Chi-Chi, Taiwan，China-02_NO_2188波(DZ5)

(f) Chi-Chi, Taiwan，China-04_NO_2712波(DZ6)

(g) Chi-Chi, Taiwan，China-04_NO_2737波(DZ6)

3 粘滯阻尼器的選型與布置

增加布置粘滯阻尼器時，可為結構增加阻尼，因此，其等效阻尼比會增加[10]。本次委托方要求為附加阻尼比5%。在綜合了該結構的建筑平面布置、抗震要求、粘滯阻尼器的布設原則[11]等多方情況，并進行了多次迭代優化設計[12]，最后擬定了阻尼器布置方案。在該結構中，共布設了60套粘滯阻尼器，布置形式均使用單節點單阻尼器，并采取墻體支撐的安裝方法。其中，粘滯阻尼器的設計參數如下，行程為±50 mm，阻尼系數為210 kN/(mm/s)α，阻尼指數為0.2，設計阻尼力為750 kN。

4 減震控制效果分析

4.1 結構樓層與基底剪力

首先，驗證了樓層剪力的減振效應。在結構中設置了粘滯阻尼器后，在X方向上，減震控制效果最大為46%，Y方向最大為36%。以此驗證了本阻尼器布置方案能有效降低結構的層間剪力。各樓層詳細的樓層剪力減震效果見表2。其中Ⅰ為原結構均值，Ⅱ為減震結構均值。

表2 地震作用下結構樓層剪力

4.2 結構層間位移角

其次，驗證結構層間位移角的減振效果。在結構中設置了粘滯阻尼器后，結構X向層間位移角最大減震效果達43%，Y向達到36%。各樓層詳細的層間位移角減震效果見表3。其中I為原結構均值，Ⅱ為減震結構均值。可以得出本阻尼器布置方案能有效降低結構的層間位移角。

表3 地震作用下結構層間位移角倒數(1/θ)

4.3 結構粘滯阻尼器耗能性能分析

隨意抽取某粘滯阻尼器的滯回曲線，圖3為結構在地震波Big Bear-01_NO_932波(DZ4)作用下X、Y向某粘滯阻尼器的滯回曲線。由圖3可知，該粘滯阻尼器的滯回曲線形狀飽滿，可以說明粘滯阻尼器充分耗能，可以有效衰減地震輸入結構中的能量，有效減震控制。

(a)X向

(b)Y向

最后，按照《建筑消能減震技術規范》(JGJ 297—2013)[13]中公式，使用能量法計算由于消能部件的附加得到的結構有效阻尼比。計算得到，阻尼耗能X向為159 435 kN·mm，Y向為128 507 kN·mm；總應變能X向為156 564 kN·mm，Y向為170 804。X向附加阻尼比為8.10%，Y向附加阻尼比為5.99%，滿足委托方要求。

5 結 論

1)采用ETABS軟件建立的有限元模型周期質量計算結果與委托方交予的KPKM模型基本一致，可用于后續消能減震分析。

2)在結構中，按照一定原則有效增設非線性粘滯阻尼器，可有效降低結構在多遇地震作用下產生的動力響應。因此，適當布置粘滯阻尼器可以滿足規范對結構的抗震要求和增加抗震安全儲備。

3)按照最后阻尼器的布置方案，現有控結構在多遇地震作用下，X方向層剪力較原結構最大減震效果達45.88%，Y方向層剪力較原結構最大減震效果達36.26%；結構X向層間位移角減小，最大減震效果達43.23%，結構Y向層間位移角亦有一定幅度減小，最大減震效果達到37.55%，該布置方案減震效果良好。

4)結構的目標阻尼比為10%，結構自身阻尼比為5%。該減震控制方案通過設置了多套粘滯阻尼器來增加結構的附加阻尼。由能量法計算得到，在多遇地震下，X向等效附加阻尼比為8.10%，Y向等效附加阻尼比為5.99%，所提減震控制方案分別在X、Y向達到了委托方要求。

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