应用粘滞阻尼器的高烈度区框-剪结构消能减震分析

郑维成，冯岩岩，朱 想，张庆文

应用粘滞阻尼器的高烈度区框-剪结构消能减震分析

郑维成1，冯岩岩1，朱 想2，张庆文1

（1.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224；2.北京交通大学土木工程学院，北京 100044）

基于云南一栋框-剪结构的医院楼，应用粘滞阻尼器进行减震分析；简要介绍了粘滞阻尼器的常用布置原则、计算附加有效阻尼比的方法；采用时程分析方法对有无阻尼器结构模型进行了计算分析,通过对比在小震、大震作用下的计算结果，得出了设置阻尼器的结构体系各项指标均得到很大程度的改善的结论，有效提高了主体结构的安全性能；为类似消能减震结构设计提供参考。

粘滞阻尼器；减震；时程分析；耗能；框-剪结构；弹塑性

0 引言

在传统抗震设计中，其理论依据是增加结构的强度、刚度和延性来抵抗地震，在大震下结构以本身的损坏来消耗地震能量以达到抗震目的，结构构件在地震中难免遭到严重破坏或倒塌；各种减震及控震技术的出现，有效地弥补了传统抗震的诸多缺陷[1-3]。粘滞阻尼器消能减震技术是通过在建筑物中设置粘滞阻尼器，在地震中，从小振动到大振动均可提供阻尼；通过阻尼器将大量地震能量消耗，使得结构的振动很快减弱，从而减轻震害损失；阻尼器在震后一般不用维护和更换，即使损坏，震后替换也较容易，可把地震损失降到最低[4-8]。

在1972年，Yao J T P[9]提出结构振动控制的概念，将控制理论应用于建筑结构，标志着控振研究的开始；美国和日本在八十年代末开始流体阻尼器的研究，至今已在高层、大跨度建筑及桥梁等工程中应用较多[10-11]；我国是在1980年，王光远院士首先提出控振研究；Pall A S[12-13]于1980年研制出Pall摩擦阻尼器,其周期循环荷载试验表明,该装置具有良好的滞回性能。粘滞阻尼器最早是应用于军事工业,后来才引入到土木工程等领域，从1991年开始，美国将Taylor公司所设计的粘滞阻尼器应用在建筑结构和桥梁上,且进行了一系列的试验[14]，结果显示出较好的耗能能力，其具有经济、稳定及减震效率高等优点。

本文以云南一栋医院楼为工程实例，框-剪结构，设防烈度为8（0.2g）度；第二组，Ⅱ类场地，属于重点设防工程，其抗震措施提高1度。该工程位于高烈度地区，在强震下全剪力墙结构刚度大，造成剪力过大，不经济也不安全；粘滞阻尼器的一个特点是能够为主体结构提供阻尼力但不提供刚度，能够很好的改善结构安全性能，有效减少剪力墙的布置和梁柱构件截面尺寸[15-20]。因此，为了确保高烈度地区结构安全，以附设粘滞阻尼器来消能减震。应用时程分析方法，借助SAP软件对该结构进行了减震分析，最后对比有无阻尼器体系计算结果，评价了阻尼器减震效果，为以后类似的减震设计提供了借鉴。

1 本工程的减震目标

改善结构的位移、内力、延性、耗能性能等结构抗震指标，提高体系的抗震能力，层间位移角从规范要求的多遇地震1/800、罕遇地震1/100提高到1/850、1/120, 基底剪力减少20%。

2 阻尼器的布置

2.1 阻尼器常用布置型式

阻尼器的布置应遵循分散、对称，沿两主轴方向布置；对建筑的使用功能及外立面美观不会产生影响。常用的布置形式如图1所示。

图1 BRB的布置形式Fig.1 Arrangement mode of BRB

2.2 确定阻尼器参数、型式及布置

根据阻尼器的高效性和安装的简易性综合考虑，本工程阻尼器型式选择悬臂短肢墙式；平面布置如图2所示。从耗能和造价角度综合确定阻尼系数C=150kN/(mm/s)α，阻尼指数α=0.15，满足方程F=CVα。

3 减震结构弹性时程分析

3.1 模型概述

图2 结构平面阻尼器布置图Fig.2 Simplified layout of damper in plane structure

采用SAP有限元分析软件建立减震与非减震结构模型，并分析计算得出相应结果。在SAP中，粘滞阻尼器用连接单元准确模拟, 框架梁、柱定义为塑性铰。此模型依据PKPM模型建立。SAP模型如图3所示。

图3 SAP2000结构模型Fig.3 Structure model of SAP

3.2 结构模型对比结果

（1）模型准确性验证

对比SAP与PKPM建立的非减震结构模型计算结果，结构质量差在1%以内；前三阶自振周期差在2%以内；结构层间地震剪力最大差为13.5%；差异都比较小，可认为两模型一致。

（2）地震波的选取按《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）5.1.2条款，选取了5条天然波和2条人工波[21]。

3.3 SAP弹性分析结果

所选的5条天然波和2条人工波的加速度时程曲线（图4）。

采用SAP提供的快速非线性分析方法进行弹性时程分析，阻尼器考虑其非线性、主体结构设为线性[22-23]。此分析过程，采用减震结构与非减震结构模型对比分析方式，小震下最大层间位移角见表1，有无阻尼器结构层间剪力对比见表2，图5、6是分析所得的结构位移角及剪力曲线对比图。

表1 小震下最大层间位移角（1/rad）

比较图5和表1、2得出，位移角X向从1/799减小到1/959，Y向从1/655降到1/803；减震结构较非减震结构有效改善了结构体系的位移角，X向剪力减小到80% 以下，Y向剪力减小到76.5% 以下，增大了结构底部抗剪能力；减震设计使得结构安全性能大大提高，达到了减震目标。

4 耗能计算

4.1 附加有效阻尼比的计算

依据《抗规》[21]的第12.3.4条：结构的附加有效阻尼比确定方法如下：

（1）附加有效阻尼估算：

式中：aξ——减震结构体系附加有效阻尼比；cjW——消能构件在预期位移下一周期所耗能；sW ——预期位移下消能体系的总应变能。

（2）扭转影响不计时，水平地震作用下减震结构总应变能估算：

式中：Fi——质点的水平地震作用标值；ui——水平地震作用标准值下质点的位移。

图4 7条加速度时程曲线Fig.4 Seven acceleration time history curves

图5 小震下有无阻尼器结构最大层间位移角对比Fig.5 Comparison of the maximum storey drift angle between the damper structure and the non damper structure under small earthquakes

表2 小震下各楼层有无阻尼器结构剪力对比

4.2 一个消能部件耗能估算

据《建筑消能减震技术规程》[24]的第6.3.2条，以下式来计算阻尼器在水平地震作用下一个循环所耗能量：

式中：λ——阻尼折减系数,本工程取值3.70；maxdjF——第j个阻尼器在水平地震作用下的最大阻尼力；iu∆——水平地震作用下，阻尼器位移。

阻尼器耗能所占结构总耗能比例如图6所示，根据《抗规》[21]第12.3.4条估算结构的附加有效阻尼比，计算结果见表3。

从（图6）可以得出，不论在X向还是Y向地震作用下，阻尼器都能够充分发挥耗能作用，吸收输入体系的大量地震能，有效提高了结构抗震性能。

图6 结构在不同地震波下阻尼器消能情况Fig.6 Energy dissipation of viscous dampers in structures under different seismic waves

表3 减震结构附加阻尼比（%）

5 减震结构弹塑性时程分析

5.1 结构弹塑性时程分析

弹塑性时程分析中考虑材料非线性，采用小变形假定，不考虑结构的几何非线性。选用程序提供的Taylor逐步积分法求解运动微分方程，γ取0.75，β值取0.39，α为-0.25。基于弹性时程分析，选三条地震波用于弹塑性时程分析。根据规范及场地要求，地震波峰值加速度调幅为400cm/s2。

图7 大震下各层层间位移角（rad）Fig.7 The displacement angle of each layer under large earthquakes （rad）

为了分析结构的弹塑性性能，对结构进行单向地震输入作用下的弹塑性动力性能分析，得出结构地震作用响应结果。各层层间位移角见图7、表4。

表4 大震下结构层间位移角

三条波的计算结果为：58号波X向1/154、Y向1/141；22号波X向1/226、Y向1/216；R02号波X向1/221、Y向1/205，满足减震1/120的目标。根据规范取三条地震波分析结果包络值。

5.2 结构出铰情况

根据《抗规》要求，在地震作用下结构体系的消能机制应合理，允许部分构件进入塑性，结构消能与结构出铰情况及出铰顺序有关。下面以58号波、22号波和R02号波在X向、Y向输入时结构较薄弱位置一榀框架的出铰情况（表5、图8），来说明结构在大震中塑性铰的发展情况。

结构塑性铰在层梁上均匀分布，且梁铰较先于柱铰出现，说明结构体系的消能机制合理,总体结构满足“柔性耗能，强柱弱梁”的设计理念。

表5 大震出铰情况（X=-9404mm Y=-11667mm ）

图8 地震波单向输入时结构出铰情况Fig.8 Structure of the hinge when the one-way input seismic wave

6 结语

应用弹性、弹塑性理论，借助SAP2000有限元软件对结构模型进行了时程分析，得到以下结论：

（1）比较结构层间位移及内力可知，减震结构较非减震结构在地震下受力情况得到了较大改善，使得结构的截面更加经济合理。

（2）从阻尼器耗能所占结构总耗能百分比能够看出，阻尼器耗能作用充分发挥，有效减小地震的作用对结构的破坏，降低震后损失及维护费用。

（3）罕遇地震下构件开始进入塑性，从结构出铰情况统计表可知梁铰较先于柱铰出现，结构的消能机制合理，满足延性设计要求。

注：22号——1999年台湾集集地震TCU015台站记录；58号——1999年台湾集集地震CHY033台站记录；91号——1971年San Fernando地震LA - Hollywood Stor FF台站记录；103号——1992年Landers地震North Palm Springs台站记；109号——1999年台湾集集地震TCU046台站记录

[1] 徐建功. 基于预测控制的结构振动半主动控制研究[J]. 世界地震工程，2003，19（2）: 126-131.

[2] 阎兴华. 可控消能减震原理及结构分析[J]. 地震工程与工程振动，1997，17（3）: 66-71.

[3] 叶正强， 李爱群， 程文瀼，等. 采用粘滞流体阻尼器的工程结构减振设计研究[J]. 建筑结构学报， 2001，22（4）: 61-66.

[4] 罗军峰. 粘滞阻尼器在结构抗震中的应用与研究[D].西南交通大学， 2011.

[5] 刘锡良. 一种新型的空间钢结构—银河金属拱型波纹屋顶[J]. 建筑结构学报， 1996， 17（4）: 72-75.

[6] 吴云芳， 张亮亮. 耗能减震结构的摄动分析方法[J].振动与冲击， 2005， 24（3）: 72-76.

[7] 邓小武. 粘滞阻尼消能减震结构的抗震性能分析及应用[D]. 长江大学， 2012.

[8] 朱礼敏. 大跨空间结构采用粘滞阻尼器的减震分析和优化设计[D]. 中国建筑科学研究院， 2007.

[9] Yao J T P. Concept of Structure control[J]. ASCE，Journal of Structural Division， 1972， 98（7）: 1567-1574.

[10] Makris N，Constantinou M C. Viscous Damper：Testing， Modeling and Application in Vibration of Seismic Isolation[R]. NCEER Rep. 90-0028， State Univ. of New York at Baffalo， Baffalo， N. Y. ， 1990.

[11] Taylor D P，Constantinou M C. Fluid Dampers for Applications of Seismic Energy Dissipation and Seismic Isolation[R]. http//www. taylordevices. com/tayd. Htm.

[12] Pall A S, Marsh C，Fazio P. Friction Joints for seismic control of large panel structure[J]. PCI， 1980， 25（6）: 39-61.

[13] Pall A S, Marsh C. Seismic response of friction damped braced frames[J]. ASCE， Journal of Structural Division， 1982， 108（6）: 1313-1323.

[14] Taylor D P. Fluid damper for applications of seismic energy dissipation and seismic isolation[R]. Eleventh World Conference on Earthquake Engineering， 1996，798.

[15] 熊丽. 平面不规则框架结构基于粘滞阻尼器的扭转减震控制[D]. 重庆大学， 2011.

[16]凌向前. 附设粘滞阻尼器的消能减震结构的抗震分析与研究[D]. 西南交通大学， 2008.

[17]周福霖. 工程结构减震控制[M]. 北京：地震出版社， 1997.

[18]吴学淑. 平面不对称高层建筑结构利用速度型阻尼器减震控制的研究[D]. 同济大学， 2008.

[19]郑久建. 粘滞阻尼减震结构分析方法及设计理论研究[D]. 中国建筑科学研究院， 2003.

[20]吴国强. 非线性粘滞阻尼器减震结构实用设计方法[D]. 昆明理工大学， 2014.

[21] GB50011-2010， 建筑抗震设计规范（2010版）[S].北京: 中国建筑工业出版社， 2010.

[22]李毅. 粘滞阻尼器不同连接方式减震性能及其设计方法的研究[D]. 北京工业大学， 2009.

[23]马俊. 加强层设置耗能构件的框架—核心筒结构抗震性能分析[D]. 中南大学， 2014.

[24] JGJ297-2013， 建筑消能减震技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社， 2013.

Analysis on Energy Dissipation of Frame Shear Wall Structure with Viscous Dampers in High Seismic Intensity Region

ZHENG Wei-cheng1，FENG Yan-yan1，ZHU Xiang2，ZHANG Qing-wen1
（1. College of Civil Engineering，Southwest Forestry University，Yunnan Kunming 650224，China; 2. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

Based on an existing concrete frame shear-wall structure of medical facility in Yunnan province, studying the energy dissipation for earthquake hazard mitigation using viscous damper. also providing a brief introduction of viscous damper and demonstration of the criterion for damper arrangement, and furthermore it illustrates the calculation method of effective additional damping ratio. This paper analyses different cases for structure with and without viscous damper system and finds that during earthquake the viscous damper improved the characteristic of struc-ture prosperities significantly and made noticeable change of several major parameters for both sustaining low-magnitude and strong earthquake. Thus viscous damper system should be a sufficient method to enhance the safety performance of the main structure. And also provides the reference for similar shock absorption structure design.

viscous damper; vibration reduction; time history analysis; energy dissipation; frame shearwall structure; elastic-plastic

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.014

1674-8565（2017）01-0079-07

2016-10-20

2017-01-10

郑维成（1986-），男，贵州省遵义市人 ，毕业于西南林业大学，硕士研究生，现主要从事减震设计方面的研究工作。E-mail：1482550546@qq.com