剪切型金属阻尼器在竖向收进框架结构中的应用

蒋文龙，孙国顺

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

对于框架结构的抗震设计，通常采用通过提高结构自身刚度、构件的承载力以及其抗震延性等传统设计方法来增强结构的抗震性能，通过在地震作用下构件的损伤来耗散地震能量，因此就需要结构本身刚度较大，来承担较大的地震作用。但消能减震技术随着社会经济的发展，技术的逐渐成熟，这种新的抗震设计方法被广泛的应用于公共建筑等结构设计中。通过在结构中设置阻尼器的方式来消耗地震作用下的能量，使主体结构的地震作用被有效的分担，大大提升了主体结构的安全度。

而对于竖向收进的框架结构，收进处的楼层竖向刚度较下层有较大削弱，需要对收进楼层的竖向刚度进行加强，传统的做法是通过适当的降低本层层高或者加强本层梁、柱的刚度，适当提高上部相关楼层或削弱上部相关楼层梁、柱的刚度，以便达到刚度比的要求。按照传统的方式则会增大结构外围的梁、柱的截面，或者引入抗震墙，和使用更高强度的材料，但是这样反而使得整体结构质量加大，使得地震效应加大。而且增大构件截面、提高材料强度等级会增加建筑结构的造价，经济性能较差。消能减震技术的引入将提高结构的抗震性能，为工程带来很好的安全保证和经济效益。工程中常用的阻尼器按耗能原理可分为速度型和位移型两类，其中速度型阻尼器主要是黏滞阻尼器，而位移型阻尼器主要是金属阻尼器，两者在消能减震设计中均有应用。但是，黏滞阻尼器在大变形下的耗能效果比小变形状态下差，而金属阻尼器在大变形下耗能效果较好。金属阻尼器是将软钢作为耗能板，利用其屈服强度低、延性好等优点，与主体结构相比，它能够更早进入屈服，从而可利用软钢屈服后的累积塑性变形来达到耗散地震能量的效果。金属阻尼器具有抗侧刚度大、延性比大，以及材料利用率高、经济性好等优点。金属阻尼器不但能为结构提供附加刚度，还能为结构提供附加阻尼，本文将选用剪切型金属阻尼器，对结构进行消能减震设计分析，研究阻尼器对竖向收进结构中的刚度加强和抗震性能提升。

1 工程概况

该工程位于云南省某市，建筑功能为4层幼儿园，房屋高度为15.8m，建筑面积为5 418.2 m2，该工程概况见表1，项目效果图见图1。采用现浇钢筋混凝土框架结构，该工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10 g，设计地震分组为第三组，场地类别为II类，特征周期为0.45 s。根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)的第6.0.8条，该工程抗震设防类别为重点设防类(乙类)，结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。根据《建筑抗震设计规范》GB50011—2010(2016年版)第6.1.3条第4款规定，乙建筑按规定提高一度确定其抗震等级，故本项目抗震等级为二级。根据《云南省隔震减震建筑工程促进规定》(云南省人民政府令第202号)的相关要求，需采用隔震减震技术，该工程采用减震技术。

表1 工程概况表

2 建立有限元模型

2.1 阻尼器的选取及布置

该工程选用的剪切型金属阻尼器参数和数量见表2，阻尼器从竖向收进层开始布置，楼层平面内的布置遵循“均匀、分散、对称”的原则，其详细布置位置详见图2～4。

表2 阻尼器参数表

2.2 阻尼器在YJK软件模型中的等效

该工程用YJK软件建立上部结构，利用线性等效方法，用等代扁柱来模拟阻尼器，在进行消能减震设计时，确保金属阻尼器与实际支撑件串联的刚度与结构计算模型中的等代支撑刚度相等。等代扁柱的截面估算方法如下：选取实际支撑件的截面尺寸，保证支撑在大震下具有足够的刚度和稳定性，且保持弹性为准，得到实际支撑件截面面积；求出实际支撑件的刚度，该工程采用墙式金属阻尼器则为悬臂墙的刚度。计算阻尼器的支撑件水平刚度，即为悬臂墙的剪切刚度和弯曲刚度的串联刚度。该项目设定阻尼器在多遇地震作用下不屈服，得到阻尼器的等效刚度为屈服前刚度，计算实际支撑件或悬臂墙与阻尼器组成系统的串联刚度为YJK中等代扁柱的水平刚度)，并根据系统串联刚度求得等代扁柱的尺寸，便能确定结构YJK分析软件中反应谱分析的等代扁柱的大小。通过求得的等代扁柱建立的YJK计算模型见图5。

2.3 SAP2000与YJK模型对比分析

SAP2000是一款集成化的高性能大型有限元分析软件，SAP2000不仅可以进行基于对象的非线性分析，也可以实现基于对象的自动网格划分。在SAP2000中有许多非线性单元可以模拟减震器和隔震装置，SAP2000常用于减隔震项目的设计分析。剪切型金属阻尼器可通过软件中的Plastic(Wen)单元来模拟，定义剪切向的属性来设置阻尼器的特性。SAP2000分析模型见图6，SAP2000与YJK模型数据对比见表3、表4。

表4 模型周期对比(前三阶)(单位：s)

表3 模型质量对比(单位：Ton)

通过对比SAP2000与YJK模型，模型的质量、前三阶周期以及地震剪力误差均在5 %以内，模型吻合度较高，用等代扁钢模拟未屈服剪切型金属阻尼器的方式较为合理。

表5 模型地震剪力对比(单位：kN)

3 非减震结构与减震结构时程分析对比

3.1 非减震结构与减震结构弹性时程对比分析

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)5.1.2条规定，该项目选用7条地震波，其中2条人工波，5条天然地震波时程曲线，对结构不设置阻尼器与设置阻尼器的模型分别进行弹性时程分析。分析结果见图7～10。在收进层设置了阻尼器器后，该层的层间位移角明显减小，刚度增加显著。整体结构在设置了阻尼器后，最大层间位移角变小，减震效果突出。

3.2 非减震结构与减震结构弹塑性时程对比分析

建立该项目的弹塑性分析模型，选取三条地震波时程曲线，分别对设置阻尼器和不设置阻尼器的结构模型进行非线性弹塑性分析，分析结果见表6～7及图11～14。减震结构最大层间位移角与非减震结构最大层间位移角的比值小于0.75，结构整体位移减小，阻尼器在罕遇地震作用下屈服耗能充分，为结构主体提供了良好的安全保证。

表6 X向层间位移角对比表(单位：1/rad)

表7 Y向层间位移角对比表(单位：1/rad)

4 结 语

通过在竖向收进框架结构中增设剪切型金属阻尼器，通过等代扁钢的方式对阻尼器进行等效处理，并对非减震与减震结构进行时程分析对比，研究了多遇和罕遇地震作用下结构的层间位移角变化情况，得出以下结论：阻尼器在多遇地震作用下不屈服，为结构提供附加刚度，在竖向收进层设置阻尼器可提高该层的竖向刚度；应用等代扁钢等效未屈服的剪切型金属阻尼器有效可行；在多遇和罕遇地震作用下，结构层间位移角减小明显，增设阻尼器的减震结构效果显著，消能减震装置可为结构提供安全储备。