深圳某学校采用粘滞阻尼墙的抗震设计分析

潘志昆 刁子坤 隽杰龙 黄文虹

(1.中国建筑一局(集团)有限公司华南区域公司，广东 深圳 518000； 2.江苏美城建筑规划设计院有限公司，江苏 淮安 223005； 3.江苏鸿升建设集团有限公司，江苏 淮安 223005； 4.淮安市高新控股有限公司，江苏 淮安 223005)

我国是一个地震频发的国家，地震给我国带来严重的损失，因此对于抗震设计的研究是一个长期攻克课题[1,2]。传统抗震设计是利用结构自身进行抵抗地震作用，此方法是采用结构构件硬抗方法，因而受到地震破坏明显。现代抗震设计通过在结构物合适位置添加某种装置，利用其先于结构主体破坏来达到消耗地震能量，减小地震对主体结构的破坏，因此这种消能减震设计概念已广泛运用[3-5]。

粘滞阻尼墙作为一种新型消能减震构件，在工程界应用较少[6]。地震作用下，上下楼层不同的运动速率导致粘滞阻尼墙上下钢板产生剪切作用，其中阻尼墙的内钢板在粘滞液剪切变形过程中摩擦消耗地震能量，从而达到消能作用[7]。在某中学项目设计中，考虑建筑重要性，采用粘滞阻尼墙作为消能构件，利用ETABS软件进行多遇地震和罕遇地震抗震设计分析，结果显示粘滞阻尼墙可有效降低结构响应，提高建筑的抗震性能，发挥很好的抵御地震的效果。

1 工程概况

本项目位于深圳坪山新区马峦街道东纵路与规划沙新路交汇处，总建筑面积为53 600 m2，主要的教学楼通过设缝分为三个单体，教学楼6层，屋顶标高为23.150 m，教学楼内设置粘滞阻尼墙。该建筑设计使用年限为50年，设防烈度为7度，设计基本加速度为0.15g，抗震设防为重点设防，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，结构抗震措施按照8度设防烈度考虑。利用ETABS建立有限元模型，如图1所示。阻尼墙安装样图见图2。

根据建筑、结构等条件，消能减震结构设计拟采用框架—粘滞阻尼墙(VFW)的结构形式。粘滞阻尼墙布置在结构2层～6层，X向布置25个，Y向布置33个，共计81个；阻尼器参数如表1所示；设定小震附加阻尼比为2%。

表1 粘滞阻尼墙参数

2 结构设计

采用ETABS分析结构动力特性，对比无控模型与设置阻尼器结构的自振特性，无控模型周期为1.16 s，有控模型为1.25 s，自振周期几乎没有变化，表明粘滞阻尼墙只提供附加阻尼比而不提供附加刚度。

2.1 地震波选取

本工程采用3条地震记录进行时程分析，本分析选取三条波进行弹塑性时程分析，其中T1(Big Bear-01_NO_940)和T2(Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3283)为天然波，R1(RH1TG035)为人工波，分析时间分别取前20 s，20 s和15 s，地震波时程曲线如图3～图5所示。对所选取的3条地震波进行频谱分析(如图6所示)，时程谱均包络设计反应谱，符合规范要求。

其弹性时程分析结果与SATWE振型分解反应谱分析结果对比如表2所示，比例为各个时程分析与振型分解反应谱法得到的结构基底剪力之比，从分析结果可看出，三条时程曲线计算得到的结构基底剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，且三条时程曲线计算得到的结构基底剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，所选取的地震波满足规范要求。

表2 基底剪力对比

2.2 阻尼器模拟

在ETABS的时程分析模型中，粘滞阻尼墙(VFW)采用Damper连接单元模拟，如图7,图8所示。

2.3 多遇地震下结构的反应

在多遇地震作用下，无控模型与有控模型结构对比如图9所示。与无控模型相比，有控模型最大层剪力降低约10%。设置粘滞阻尼墙结构在多遇地震作用下X向最大层间位移角为1/1 191，Y向的最大层间位移角为1/1 200(见图10)，有控结构各层间位移角约为无控结构层间位移角的60%～70%,符合规范要求的不大于1/550且满足不带1/800的性能目标。

2.4 罕遇地震下结构反应

弹塑性时程分析过程考虑材料非线性；采用小变形假定；不考虑结构的几何非线性。对于运动微分方程的求解，选择程序提供的Hilber-Hughes-Taylor逐步积分法，β值取0.25，γ取0.5，Alpha系数为-1/48。

由罕遇地震作用下层间位移角结果可知，设置粘滞阻尼墙结构最大层间位移角X向为1/202，Y向为1/209，满足性能设计指标要求，同时满足抗震规范中规定大震性能指标即小于1/50，如图11所示。

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范，为了保证结构“大震不倒”，且在地震作用下具有合理的耗能机制，允许结构在大震作用下部分构件进入塑性。列举在T1地震波作用下结构在大震弹塑性分析中的最终出铰状态(见图12)。

可以看出，大震下，框架梁屈服状态为B，为轻微屈服，大部分框架柱保持弹性，没有出现屈服；框架梁的塑性铰出现在两端，且损伤程度大于框架柱，符合“强柱弱梁”的抗震设计要求，损伤机制合理。

2.5 阻尼墙滞回性能

滞回曲线反映的是阻尼墙在地震作用下的变形、刚度退化及能量耗散情况。图13为两个方向阻尼墙在罕遇地震作用下的滞回曲线，滞回曲线饱满，位移行程较大，表现出粘滞阻尼墙在行程范围内有较大的耗能效果，可降低梁柱等受力构件的损伤，提高结构的抗震性能。

3 结论

本节对结构整体模型进行小震弹性时程分析和大震弹塑性时程分析，计算了在三条地震波下减震结构的动力时程响应，主要结论如下：

1)小震下，减震结构X向和Y向最大位移角分别为1/1 191，1/1 200，满足规范要求；粘滞阻尼器在X向和Y向附加阻尼比分别为2.20%，2.48%，可以有效减小结构地震作用，保护主体结构。

2)大震下，减震结构X向和Y方向最大位移角分别为1/202,1/209，满足规范要求；框架梁屈服状态为B，为轻微屈服，框架柱大部分保持弹性，没有出现屈服；框架梁的塑性铰出现在两端，且损伤程度大于框架柱，符合“强柱弱梁”的抗震设计要求，损伤机制合理。大震下继续处于耗能状态，保护主体结构；其滞回曲线饱满，耗散了大量地震作用。

3)大震下与粘滞阻尼器相连接的框架梁、柱均处于B状态或者弹性，均未及C状态，表明在大震作用下子结构受力小于构件极限承载力，满足子结构设计的性能目标。