粘滯阻尼器減震框架結(jié)構(gòu)設計與分析

劉敏聰

（廣州大學 土木工程學院）

0 引言

隨著《建設工程管理條例》于2021年9月正式施行，國家從立法層面對重點設防類結(jié)構(gòu)提高了更高的抗震要求。而傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)難以承受超出設防地震作用時帶來的破壞，因此推廣減隔震技術(shù)成為解決高烈度地區(qū)結(jié)構(gòu)抗震需求的重要手段。在消能減震領(lǐng)域，粘滯阻尼器屬于速度型阻尼器，在結(jié)構(gòu)遭受地震動的全過程均可耗散能量，僅僅提供附加阻尼，對結(jié)構(gòu)的振型周期基本沒有影響，因此被廣泛應用于各種結(jié)構(gòu)形式之中。文獻[1]指出，消能減震設計應當與現(xiàn)有的規(guī)范與設計軟件對接，更好地完善設計理論的實施。本文基于PKPM軟件的減震模塊，給出附加粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在實際設計中的詳細流程，以滿足抗震規(guī)范要求。

1 減震設計方法

1.1 結(jié)構(gòu)設計流程

通過詳細的設計，給抗震結(jié)構(gòu)布置適當數(shù)量以及合適參數(shù)的消能減震裝置，能夠有效地提高抗震性能，一般能夠減少約20%～30%的地震響應，滿足結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的性能要求（一般為最大層間位移角限值）。其一般流程為對減震結(jié)構(gòu)進行多遇地震彈性計算，按照時程平均值進行配筋設計，即小震彈性設計；然后，對減震結(jié)構(gòu)進行罕遇地震彈塑性分析，即大震變形驗算；最后對阻尼器向量的連接構(gòu)件即結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行專項設計。其在PKPM軟件中的設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程圖

1.2 確定附加阻尼比

附加阻尼比作為阻尼器在消能減震結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用的評判指標，決定了阻尼器在地震作用下耗散地震作用的能力。常規(guī)設計是基于振型分解反應譜法進行消能減震結(jié)構(gòu)的配筋設計，其關(guān)鍵在于確定耗能裝置附加給結(jié)構(gòu)的阻尼比。消能減震結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程給出了基于振型分解反應譜法的具體迭代算法，盡管附加阻尼比可通過彈塑時程分析方法得到，但是通常比較耗費時間，因此‘規(guī)范’方法更加具有可行性。PKPM軟件已經(jīng)內(nèi)置了規(guī)范進行迭代計算附加阻尼比的程序，可方便計算出消能減震結(jié)構(gòu)附加阻尼比。

1.3 結(jié)構(gòu)模型及減震目標

本工程為云南地區(qū)某小學，結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震設防烈度按8度設計，分組為1組，實際基本加速度值為0.2g，多遇地震下αmax=0.16，罕遇地震αmax=0.9，建筑場地土地類別為Ⅲ類，特征周期Tg=0.45s。阻尼器的布置需要與建筑的功能相匹配，本案例在結(jié)構(gòu)中布置了40個粘滯阻尼器，X向與Y向均布置20個，其阻尼指數(shù)均為0.2，阻尼系數(shù)為150kN·（s/m）0.2之間，行程均為40mm。

本工程在不同地震作用下的減震目標見表1。

圖2 模型

表1 減震目標

2 消能減震結(jié)構(gòu)動力分析

2.1 地震波評價

地震記錄選取需要計算無消能器模型的結(jié)構(gòu)底部剪力，其需要滿足《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定，即通過時程分析計算的基底剪力需要超過振型分解反應譜法結(jié)果的65%，均值大于80%的要求，否則應重新選擇地震波。本案例選取一條人工波與兩條天然波，其加速度反應譜如圖3所示。通過對比分析（見表2），結(jié)構(gòu)在X向和Y向在時程分析中的基底剪力均滿足規(guī)范要求，可以用于工程設計。

表2 多遇地震基底剪力對比

圖3 三條地震波與設計反應譜對比圖

2.2 多遇地震響應分析

結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移分布能夠反映結(jié)構(gòu)附加阻尼器后抗震性能的提升，通過設置合適的粘滯阻尼器數(shù)量及參數(shù)，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移均小于規(guī)范要求的1/550，滿足小震性能要求（見表3）。結(jié)構(gòu)在多遇地震下的附加阻尼比分別為5.4%與4.2%，均在規(guī)范規(guī)定的25%范圍內(nèi)，屬于合理范圍。

表3 多遇地震層間位移分布

3 罕遇地震位移驗算

通過彈性分析計算結(jié)構(gòu)附加阻尼比，對結(jié)構(gòu)采用小震振型反應譜法進行設計配筋，對配筋后的結(jié)構(gòu)進行大震彈塑性分析。表4為X向與Y向罕遇地震下層間位移角均值的結(jié)果對比。由表4可見，非減震結(jié)構(gòu)無論在X向還是Y向均出現(xiàn)層間位移角大于1/50的情況，超出抗震規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)附加阻尼器后，最大層間位移角均得到改善，均符合規(guī)范要求，滿足工程設計的抗震性能目標。如圖4所示，結(jié)構(gòu)平均層間位移分布顯示下部小上部大，即結(jié)構(gòu)上部先于下部達到位移限值。

表4 罕遇地震層間位移角對比

圖4 層間位移角分布

4 結(jié)論

⑴借助PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件，給出了附加粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的設計流程，方便工程人員借鑒使用；

⑵通過附加粘滯阻尼器，X向與Y向分別附加了5.4%和4.2%的附加阻尼比，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下層間位移角小于規(guī)范限值，但是結(jié)構(gòu)的層間位移分布顯現(xiàn)上大下小，表示結(jié)構(gòu)剛度分布不夠均勻。