粘滞阻尼器对建筑结构抗震性能的对比性研究

关维海、代贵举

摘要：结构进行消能减震设计的关键是准确合理估计阻尼器的动力行为，这可以在ETABS、SAP2000、Abaqus等软件中实现。但PKPM仅能通过振型分解反应谱法计算地震作用，并且单元类型十分有限，不能直接进行阻尼器的建模及计算。为了在PKPM中进行设计，需要采用等效线性化的方法，黏滞流体阻尼器对结构刚度没有贡献，仅需要考虑其附加阻尼比的贡献。

关键词：黏滞阻尼墙；阻尼比；地震波

地震是世界上最不可预测的自然灾害之一，它所造成的直接灾害有： 建筑物与构筑物的破坏，如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁路轨道变形等等。作为全国地震多发和高烈度区的省份，因此云南省对于中小学、医院及幼儿园出台相关规定，必须采取减、隔震措施，以此提高对弱势群体的保护。减震措施，是指通过在结构中加入阻尼器（软钢或粘滞）来耗散地震的作用能量，从而达到减小主体结构的地震反应的目的，可以避免结构在地震中破坏或倒塌，实现抗震设防目标。因此本文针对云南省某学校工程项目，做出减震结构设计。

一、 案例项目概况

针对云南省某项目工程主要包含“学生食堂、文体中心和学生公寓”，总建筑面积：12900㎡；地上面积：10300㎡；地下面积：2600㎡进行减震设计。“学生食堂、文体中心和学生公寓”上部建筑方案为L形布置，共12层（局部6层和3层）。结构上采用抗震缝脱开的处理方法，沿12层与6层交接处将该子项上部结构分割为独立开来的一栋12层（局部3层）框架剪力墙结构和一栋6层框架结构。在该子项塔楼下方及周边外扩范围设有一层地下室，全层地下室均为6级乙等人防地下室。该子项两塔楼上部结构均采用消能减震技术。抗震烈度为八度，地震分组为第三组，场地类别为二类；嵌固端选择：“学生食堂、文体中心和学生公寓”子项两栋塔楼嵌固端选取为地下室顶板[1-5]。

二、案例项目上部及地下室结构设计

（一）结构选型、抗侧力体系和楼盖体系

建筑结构体系、楼盖体系和结构抗震等级选取简述。

1、结构体系选取

“学生食堂、文体中心和学生公寓”子项，该子项上部建筑方案为L形布置，共12层（局部6层和3层）。结构上采用抗震缝脱开的处理方法，沿12层与6层交接处将该子项上部结构分割为独立开来的一栋12层（局部3层）结构和一栋6层结构。12层部分和6层部分因结构底部二层为学生食堂、问题活动中心和超市，使用功能上对开敞大空间有所要求，故结构形式12层塔楼选用钢筋混凝土框剪结构，6层塔楼选用钢筋混凝土框架结构。楼盖体系选用现浇钢筋混凝土楼盖体系。

2、抗震等级划分

“学生食堂、文体中心和学生公寓”子项6层部分和12层部分根据抗规6.1.2条规定，按乙类建筑提高一度要求查表后，12层塔楼框架抗震等级、剪力墙抗震等级和6层塔楼框架抗震等级均划定为一级，抗震构造措施等级均为一级。

（二）结构平面布置

1、本工程各栋平面外轮廓形状基本以多边形为主，平面布置较为均匀规则。12层平面的长宽高数值分别为：44.55m，18.30m和44.65m；12层平面的长宽高数值分别为：39.30m，18.60m和21.25m。

2、12层考虑偶然偏心规定水平力作用下位移比大于1.2小于1.50，结构扭转不规则，均考虑双向地震[5]。

3、减震方案选取：在给定配置数量条件下在结构中合理布置阻尼器是达到减震效果的非常有效的途径。在阻尼器的布置中不仅要遵照“整体分散，局部集中”的原则，还要考虑到建筑物本身的一些特点。通过对阻尼器数量、位置的多轮时程分析、优化调整后，确定了最终减震方案。

综合考虑减震目标及建筑功能的需要，本项目初步设计共计采用两种软钢阻尼器进行设计计算，三种软钢剪切阻尼器性能参数为：（1）YSX-SPL-250-2，屈服荷载250 kN，屈服位移2mm，8个； （2）YSX-SPL-500-2，屈服荷载500 kN，屈服位移2mm，42个；（3）YSX-SPL-650-2，屈服荷载650 kN，屈服位移2mm，78个。

三、十二層塔楼结构分析计算结果

（一）使用软件

1、多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件 SATWE（2010版本）

2、集成化的建筑结构设计与分析软件 ETABS中文版（V9.7.4版）

（二） SATWE与ETABS小震计算主要计算结果简要对比

1、 SATWE主要计算结果如表1所示。

2、SATWE与ETABS分析结果对比

（1）两个软件所建立的模型如图1、图2：

结构模型的计算振型数：SATWE：15个，ETABS：140个，SATWE模型的有效质量系数为X向93.60%，Y向95.02%。满足规范不小于90%的要求。SATWE模型第一扭转周期与第一平动周期之比0.7414，ETABS模型第一扭转周期与第一平动周期之比0.7014，满足规范要求。

（2）位移分析

在不考虑偶然偏心作用时，SATWE：X向最大层间位移角为1/ 880（6层）；Y向最大层间位移角为1/ 849 （6层）。ETABS：X向最大层间位移角为1/1055，出现在RG波第8层；Y向最大层间位移角为1/950，出现在TR1波第6层。均满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.5.1条规定的框架结构最大位移角1/800的限值。两软件计算结果十分接近，小震时各楼层最大位移角如表2和表3。

（3） 结构总质量

SATWE计算出的结构总质量为14188t，ETABS计算出的结构总质量为15390t，差值百分比为8.5%。

（三）消能减震设计小震计算主要结果及分析

本工程采用粘滞阻尼墙进行消能减震设计，根据《建筑抗震设计规范》和《建筑消能减震技术规程》的要求，采用等效线性化方法，考虑消能器提供的等效刚度和等效阻尼比。

1、等效线性化设计方法

结构进行消能减震设计的关键是准确合理估计阻尼器的动力行为，这可以在ETABS、SAP2000、Abaqus等软件中实现。但PKPM仅能通过振型分解反应谱法计算地震作用，并且单元类型十分有限，不能直接进行阻尼器的建模及计算。

为了在PKPM中进行设计，需要采用等效线性化的方法，黏滞流体阻尼器对结构刚度没有贡献，仅需要考虑其附加阻尼比的贡献。速度相关型消能器的简化设计程序EDstruDesign的界面如图所示。用户需要输入三部分内容：第一部分是阻尼器相关参数，包含阻尼系数C，阻尼指数

2、最终减震方案确定

（1） X向附加阻尼比计算结果见表4。

Y向附加阻尼比计算结果见表5。

结构等效阻尼比取两个方向等效阻尼比的较小值：8.05%，SATWE计算中按照8.0%进行计算。

四、结语：

通过以上结构模拟计算数据可以看出，对结构进行配置消能部件，其实质是对结构附加阻尼，使得结构的等效阻尼比增加，而结构等效阻尼比的增加会使其地震响应降低，同时增加结构的刚度，减小结构位移，因而可以减小结构位移角和位移比。在结合地震波分析，可发现首先结构多数连梁出现塑性铰，有效的起到第一道防线的作用，耗散了地震能量；然后结构部分混凝土梁出现塑性铰；结构框架柱基本未出现塑性铰；这样可以看到阻尼器耗能作用明显，阻尼器耗能占到地震总能量的50%以上，有效的耗散了地震能量并保护了主体结构。

参考文献：

[1] 工程结构可靠性设计统一标准 GB50153-2008[S].

[2] 建筑结构荷载规范 GB50009-2012[S].

[3] 混凝土结构设计规范 GB50010-2010[S].

[4] 建筑抗震設计规范 GB50011-2010[S].

[5] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010[S].

[6] 建筑消能减震技术规程