软钢阻尼器在框架结构中的消能减震设计

吕 宁

(云南城市建设工程咨询有限公司,云南 昆明 650228)



软钢阻尼器在框架结构中的消能减震设计

吕 宁

(云南城市建设工程咨询有限公司,云南 昆明 650228)

以高烈度区某商住楼工程为例，介绍了该建筑采用软钢阻尼器进行减震设计的方案，并对多遇及罕遇地震作用下的结构进行了时程分析，结果表明，软钢阻尼器可大量耗散地震动能量，有效控制结构的地震响应。

阻尼器，框架结构，时程分析，消能减震

0 引言

消能减震结构设计是指在结构中装设阻尼器，通过阻尼器的相对变形或相对速度提供附加阻尼，从而耗散大量的地震动能量，达到减震性能目标。金属阻尼器主要是利用低屈服点钢进入弹塑性阶段产生滞回进行耗能，它具有造价低，施工方便，耗能稳定的优点，德宏市某商住楼的设计即采用软钢剪切型阻尼器。

1 工程概况

本工程共8层，总高度27.9 m，首层层高4.8 m,第2层层高3.6 m,3层～7层层高均为3 m,顶层层高4.5 m,总建筑面积4 417 m2，其中商业建筑面积1 400 m2，住宅面积3 017 m2，结构模型如图1所示。

该结构采用现浇钢筋混凝土框架结构体系，设计使用年限为50年，框架抗震等级为二级，结构抗震设防烈度：8.5度；设计基本加速度：0.3g；场地类别为Ⅱ类，地震分组为第二组。

2 结构方案对比

此工程在方案阶段，根据建筑物的基本情况，与不采用减震

方案进行对比分析。采用传统结构设计时，构件的截面，配筋量都比较大，工程造价提高，且与建筑使用功能产生冲突，结构刚度增加，在地震作用下结构所要承担的荷载也会增大，结构安全可靠度得不到保证，采用软钢剪切型阻尼器后，不仅能为结构提供刚度，而且提供阻尼，主要构件的截面尺寸可大大减小，结构满足减震性能目标，在罕遇地震下安全性很高，最后确定采用减震设计。

3 减震设计的主要内容

1)根据性能目标确定SATWE软件中反应谱分析的等代支撑刚度和附加阻尼比，确定阻尼器参数和数量，以及阻尼器的安装位置及形式。

2)计算附设阻尼器的减震结构在多遇地震作用下的结构响应，复核附加阻尼比。

3)罕遇地震作用下，进行弹塑性位移验算，加强薄弱位置，满足“强柱弱梁，强剪弱弯”最后完成消能子结构的设计。

4 本工程采用的消能设计方案

根据减震性能目标，最终确定附加阻尼比为3%，阻尼器数量X向12个，Y向16个，总共28个，阻尼器参数及相连支撑的尺寸如表1所示。软钢剪切型阻尼器属于位移型阻尼器，在布置时应遵循以下原则：

1)在满足建筑功能的前提下，尽量布置在相对位移较大的楼层，提高阻尼器的减震效率。

2)阻尼器应按照“均匀、分散、对称、周边”的原则，避免形成薄弱层。

3)阻尼器布置需要考虑结构的工作性能(如刚度、延性等)、建筑功能和经济等要求，经过优化设计选择相对较好的方案。

表1 阻尼器及支撑的参数

5 结构消能减震分析计算

5.1 模型对比

为了保证时程分析模型的可靠性，对比ETABS和SATWE两种软件的结构模型，计算得到的质量、前三阶周期、楼层剪力相差很小，表明分析模型是可靠的，能作为设计，分析的依据。

5.2 地震波选取

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范(简称抗规)要求，选取5条天然波和2条人工波进行弹性时程分析。

时程反应谱(多遇110gal)与规范反应谱5%阻尼比对比如图2所示。

5.3 多遇地震作用下的结构弹性时程分析

软钢阻尼器在有限元软件中使用plastic1模拟，采用快速非线性(FNA)对有阻尼器(有控)和无阻尼器(无控)的结构进行计算分析，得出层间位移角等结构参数，无控结构和有控结构层间位移角分别如图3，图4所示。

对比图3和图4，无控结构的层间位移角大于规范要求的1/550，有控结构层间位移角达到减震性能目标1/600,说明附加阻尼器有效控制了结构反应，结构有较大的安全储备。

5.4 罕遇地震作用下结构的弹塑性时程分析

采用SAP2000对结构进行弹塑性时程分析，根据《消能减震

技术规程》规定：消能减震结构需满足“小震可修，大震不倒”的性能目标，在有限元软件中通过定义塑性铰来模拟结构的弹塑性发展趋势，分别定义梁铰和柱铰。弹塑性分析结构表明结构在大震作用下，先出现梁铰，然后出现柱铰，大震层间位移角达到性能目标1/100。结构满足“强柱弱梁，强剪弱弯”的要求，满足大震不倒的性能目标。

6 结语

位于高烈度区装设软钢剪切型阻尼器的框架结构消能减震设计方案，计算分析结果表明，采用消能减震技术，结构的地震反应大大降低，层间位移角满足规范要求，达到预期减震性能目标，结构的安全度得到很大提高。在罕遇地震作用下结构满足大震不倒的性能化设计要求。研究表明，位于高烈度区的房屋采用消能减震技术是合理有效的，对于提高结构抗震性能具有应用参考意义。

[1] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社，1997.

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] JGJ 297—2013，建筑消能减震技术规程[S].

[4] 周 云.金属耗能减震结构设计理论及应用[M].武汉：武汉理工大学出版社，2013;北京：中国建筑工业出版社，2010.

On seismic energy dissipation of mild steel damper in framework

Lv Ning

(YunnanUrbanConstructionEngineeringConsultingCo.,Ltd,Kunming650228,China)

Taking some office building at some high intensity zone as the example, the paper introduces the seismic dissipation scheme for the building with the mild steel damper, undertakes the time-history analysis of the structure under the frequent and rare earthquakes, and proves by the result that the mild steel damper can dissipate a great deal of seismic energy and it can effectively control the seismic response.

damper, framework, time-history analysis, seismic energy dissipation

1009-6825(2016)10-0053-02

2016-01-27

吕 宁(1983- )，女，工程师

TU352.1

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