某高烈度地区建筑被动减震结构分析

刘文文

(中铁四院西南勘察设计有限公司，云南昆明 650206)

0 引言

地震是最严重的自然灾害之一，而中国是地震频发国，唐山地震、汶川地震等等一系列大地震产生的震动从力度、能量、破坏、灾害诸方面来说都是最严重的，给人们也带来了巨大的生命财产损失，并且留下了难以磨灭的灾难。传统建筑抗震技术是利用结构各构件的承载力以及变形能力来抵御地震作用，吸收地震能量，立足于“抗”，以满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标［1］。但是这种通过以刚克刚的“硬抗”途径会形成结构刚度越大，地震作用越强的恶性循环，既不经济，也不一定安全。

结构减震控制技术就是一项涉及多个学科领域的结构抗震新技术，它不是采用加强结构的传统设计方法来提高结构的抗震能力，而是通过设置减震装置来控制结构在地震作用下的振动响应，从而有效地保护结构在强震下的安全，既可以满足建筑功能的要求，还可以明显提高结构的抗震性能［2］，尤其对于位于地震高烈度区的学校教学用房及宿舍、医院、通信、电力及交通枢纽等重大工程、生命线工程，采用减震技术的优越性更为明显。因此本文采用ETABS软件对设置非线性粘滞流体阻尼器的消能减震结构的减震效果进行研究。

1 工程概况

本工程采用钢筋混凝土框架结构，共7层，建筑总高度为25.5 m。其中，一层的层高为3.9 m，其余楼层的层高均为3.6 m。混凝土强度等级柱、梁为C40，板C30。抗震设防类别为乙类(学校教学用房)，抗震设防烈度8度，基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，水平地震影响系数最大值为0.16，场地类别Ⅱ类，场地特征周期为0.35 s，地面粗糙度为B类，抗震等级为框架一级。

在PKPM计算的反应谱工况下，结构X方向地震作用下的最大层间位移角为1/471;X向双向地震作用下的楼层最大层间位移角为1/451;结构Y方向地震作用下的最大层间位移角为1/485;Y向双向地震作用下的楼层最大层间位移角为1/462;结构层间位移角最大值大于规范限值1/550，由于受到建筑等相关专业要求，无法再通过增大结构构件截面来满足规范要求，因此单纯依靠“硬抗”的传统设计，无法满足该工程的抗震设计要求。只能改成增设较多数量的剪力墙，相应的造价将增加20%左右，最终导致经济上负担过重。因此本工程采用设置非线性粘滞流体阻尼器的消能减震结构体系，在满足规范要求的前提下，能够节省工程造价，经济性较好。

2 减震装置的布置

根据GB 50011-2010建筑抗震设计规范以及提供的建筑设计图、结构布置图以及相关设计分析模型与结果，决定在本工程适当位置沿结构的两个主轴方向分别设置粘滞阻尼器，其数量、型号、位置通过多轮时程分析进行优化调整后确定，从而显著降低结构的地震反应。

粘滞阻尼器的参数取值见表1。

减震装置各楼层布置见表2。

其中，非线性粘滞阻尼器力—变形关系为:

式中:C——阻尼系数;

˙u——阻尼器变形速率;

α——阻尼指数。

表1 阻尼器参数

表2 粘滞阻尼器楼层布置情况

3 多遇地震作用下结构的时程响应分析

3.1 结构分析模型的建立

本文采用CSI公司的ETABS软件进行多遇地震作用下结构减震效果分析，在ETABS弹性结构分析模型中，采用空间杆系单元模拟框架梁、柱构件，楼板采用膜单元模拟，粘滞阻尼器采用Damper单元模拟［3］。为验证所建模型的准确性，并检验结构抗震性能，分别采用SATWE程序。表3，表4分别是两个软件的模态及楼层剪力计算结果。对比分析结果，可以看出ETABS和PKPM周期及楼层剪力计算结果非常相近，因此可以认为采用ETABS建立的模型是可靠的。

表3 ETABS和PKPM模态分析结果对比(前10阶模态)

表4 ETABS和PKPM反应谱分析所得的各层剪力比较

3.2 时程分析地震波的选用

我国GB 50011-2010建筑抗震设计规范明确规定，在弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。根据本工程场地类别和地震分组，现选择USER845波、USER656波和USER361波作为地震动输入进行时程分析，其中USER656波、USER361波为天然波，USER845波为根据Ⅱ类场地模拟的人工波。各条输入地震波峰值在计算时，根据规范要求分别调整到8(0.2g)度，时程长度选取20 s，多遇地震计算时加速度峰值70 cm/s2，计算结果也满足规范的要求。

3.3 多遇地震作用下结构减震效果分析

表5，表6分别为结构X向、Y向减震前、减震后的层间剪力，通过计算可以知道减震后结构的层间剪力平均值比减震前减少了30%左右，其层间剪力减震率约为30%，这表明粘滞阻尼器具有很好的耗能减震作用，设置了粘滞流体阻尼器的减震结构在地震作用下具有很好的抗震性能。

表5 X向层间剪力对比 kN

表6 Y向层间剪力对比 kN

4 结语

结构采用了粘滞流体阻尼器消能减震技术，对结构在8(0.2g)度多遇地震荷载作用下的减震前和减震后工作性能分别进行了计算分析，采用粘滞流体阻尼器对该结构进行减震设计是可行的，粘滞流体阻尼器能够有效的消耗地震输入的能量，结构的震动相应有着明显的降低，结构的安全性能有显著的提高。特别是在高烈度地区，由于地震作用非常大，如果按照传统的结构设计，结构构件的截面将非常大，而采用粘滞流体阻尼器的减震结构能够有效的降低地震反应，在不降低结构安全性的前提下，能够比较合理的减小结构构件的截面尺寸，不失为一种合理的设计方法。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］周 云.粘滞阻尼减震结构设计［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2006:173-177.

［3］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.ETABS中文版使用指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.