某教学楼采用粘滞阻尼器的消能减震设计

侯 志 菡

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

·结构·抗震·

某教学楼采用粘滞阻尼器的消能减震设计

侯 志 菡

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

以高烈度区某教学楼工程设计为例，依据建筑使用功能和抗震要求，该建筑物采用粘滞阻尼器的消能减震设计方案，时程分析结果表明，粘滞阻尼器可大量耗散地震动能量并显著降低结构的地震响应。

消能减震设计，框架剪力墙，粘滞阻尼器，时程

随着社会与经济不断进步，我国对于地震重点危险区的学校和幼儿园新建教学用房必须采用减隔震技术。本文以太原市某工程实例为依据，探讨了减隔震技术在实际工程中的应用与设计。

1 工程概况

本工程位于太原市，主要功能为培养视障类残疾人为主的公办职业技能学校。结构形式为框架剪力墙结构，总高度36.400 m，地上8层、地下1层。结构抗震设防烈度：8度；设计基本地震加速度：0.20g；设计地震分组：第一组；抗震措施：按9度；场地类别：Ⅲ类；建筑抗震设防类别：重点设防类(乙类)；抗震等级：框架一级，剪力墙一级；安全等级：二级；地基基础设计等级：乙类；设计使用年限：50年。

在这个项目具体设计中，为了满足各个相关规范的要求，梁柱等构件截面取值整体偏大，虽然满足了各项设计指标，但是主体结构的自重及含钢量较大、结构整体比较臃肿；于是，在满足各项规范前提的条件下，自上而下对承重构件截面柱、梁进行优化。优化后的结构模型整体刚度降低，自重减小，整体刚度降低的同时增加了阻尼比，从而达到了结构在地震中不破坏、震后能保证使用的目的。

2 消能减震方案的选择

阻尼是结构对能量消耗的程度，它来自两个方面：固有阻尼和外加阻尼。固有阻尼由结构的材料、装饰、基础及构架等组成，很难计算得出。外加阻尼近年来常用的形式见表1。

阻尼有助于减少结构在外部荷载作用下的共振响应，增大结构的阻尼比会降低结构在地震作用下的响应，现在常用的办法是通过设置外置阻尼器来增大结构的阻尼，较大的外加阻尼可以大大的减小地震作用，提高结构的抗震性能，结构的可靠度。设置阻尼器建筑物结构的总体刚度是结构本身的刚度和消能减震部件有效刚度相加之和，总阻尼比也是结构本身提供的阻尼和消能减震部件附加给结构有效阻尼相加之和。

表1 外加阻尼常用形式

消能减震选取方案分为两部分:1)阻尼器的种类选取。2)阻尼器的楼层分布。核心思想是根据结构自身的刚度、构造特点提高外加阻尼器的使用效率。

阻尼器设计布置应符合下列要求：

1)本工程减震建筑之要求为在多遇地震下，其建筑主体结构仍保持弹性，且非结构构件无明显损坏；在罕遇地震考虑下，其减震阻尼器系统仍能正常发挥功能。 2)本工程减震设计依据预期的水平向地震力和位移控制要求等参数，选择适当数目的阻尼器，并配置在适当的位置。 3)阻尼器配置在层间相对位移或相对速度较大的楼层，条件允许时应采用合理形式增加消能器两端的相对变形或相对速度，以提高消能器的减震效率。4)消能减震结构设计时按各层消能部件的最大阻尼力进行截面设计，与阻尼器相连接的支撑连接板及相关梁柱节点的强度设计都应取各阻尼器设计出力值的1.2倍作为外荷载标准值来进行强度校核，同时应考虑阻尼器所提供的外力作用效应来验算相邻梁柱的强度，并适当采取一些补强措施。5)对含减震阻尼器的结构进行整体分析，包含不同地震考虑下的结构弹塑性分析。 6)与阻尼器支撑相连接构件或接合构件需适当设计使其在罕遇地震作用下仍维持弹性或不屈状态。 7)阻尼器及支撑的布置应基本满足建筑使用上的要求，并尽量对称布置，为了保护阻尼器的耐久性，可采用轻质强度低的防火材料作隔板把阻尼器包裹在隔墙中间。

为综合分析该房屋的基本信息，本论文分别利用PKPM分析软件和ETABS分析软件对房屋结构进行了建模计算和结果对比分析。综合计算结果，结构ETABS模型与SATWE模型的结构质量、计算周期和地震剪力的差异较小，由此可以认为，ETABS模型作为本工程消能减震分析的有限元模型是相对准确的，且能较为真实地反映结构的基本特性。

在本工程减震设计中，为确保新结构层间刚度平稳变化，以避免生成新的薄弱层，决定将消能支撑体系逐层缓变地安装在原结构上，拟附加消能减震支撑具体数量的确定主要以原结构(PKPM模型)的各层间剪力和位移角作为依据，经反复分析计算及优化设计后，全楼共设置41套粘弹性阻尼器如表2所示。

表2 楼层粘弹性阻尼器设置表

采用非线性时程分析法进行消能减震结构的抗震性能分析和减震效果评价，并与振型反应谱分析法进行比较。时程波采用选取的5条强震记录和2条人工模拟加速度时程，满足《建筑抗震设计规范》5.1.2的要求。对于多遇地震和罕遇地震工况输入同一时程，只是调整其峰值加速度，8度分别为70 cm/s2，400 cm/s2。为便于分析比较，将分析结构分为如下两种结构状态：结构1(ST0)为不设阻尼器的主体结构；结构2(ST1)为增设阻尼器后的主体结构。

对于多遇地震作用下的弹性工况分析基于ETABS软件进行，其中弹性时程分析采用软件所提供的快速非线性分析(FNA)方法(即只考虑阻尼器的非线性、结构本身假设为线性)，并进行多次分析迭代。分析内容包括：结构减震前后的层间剪力及层间位移角对比、阻尼器在多遇地震下的实际等效附加阻尼比计算和滞回耗能分析等。

对于罕遇地震的工况分析基于PERFORM-3D软件进行，主要分析内容包括：罕遇地震作用下结构抗震性能的分析、结构减震前后屈服机制和非线性状态的对比、附加粘滞阻尼器的设计承载力和设计行程校核，以及附加人字形钢支撑的刚度设计等。

3 结构消能减震分析计算

1)周期见表3。

表3 周期表

2)层间位移角最大值见表4。

表4 层间位移角最大值

3)楼层最大位移见表5。

表5 楼层最大位移

4 结语

使用ETABS对普通结构和减震结构在8度(0.2g)地震作用下进行反应谱分析和时程分析，分析了多遇地震作用下和罕遇地震作用下结构的反应，通过对比分析表明结构采用消能减震设计方案具有良好的效果和独特的优势，结构附加粘滞阻尼器减震设计后主体结构部分的抗震安全性大大提高，消能减震设计是可行有效的。考虑到楼梯部件属于重要的生命通道，在灾时应保持其通畅性和安全性，且其实际受力状况比较复杂，在本工程中采用“放”的做法，即在楼梯平台部位设置滑移支座，使其不参与结构整体受力，因此本工程的建模分析计算也未考虑楼梯的参与作用设置粘滞阻尼器的消能减震结构在罕遇地震作用下呈现“强柱弱梁”的塑性铰发展机制，且在带阻尼器—支撑立面上主体结构部分的塑性发展程度也比较小，这表明主体结构在罕遇地震作用下的损伤状况能够得到有效控制和改善，从而使得整体结构具有良好的抗震性能，更有利于实现“大震不倒”的设防目标。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[2] 李春和，张义元.超高层建筑结构减小地震作用的方法[J].减震技术，2014(2):13-17.

Energy dissipation and seismic design of the teaching building with viscous damper

Hou Zhihan

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

Taking the teaching building engineering in high intensity area as an example, according to architectural usage functions and seismic demands, the paper applies energy dissipation and seismic design of the viscous damper in the building. The time-histories analysis results show that: viscous damper can dissipates seismic energy and reduce seismic response as well.

energy dissipation and seismic design, frame shearing wall, viscous damper, time-histories

2014-12-16

侯志菡(1981- )，女，工程师

1009-6825(2015)06-0032-02

TU244

A