考虑黏滞阻尼器的框架结构减震技术研究

2021-10-22程海庆崔乃文

工程与建设 2021年4期

程海庆, 崔乃文

(中铁四局设计研究院，安徽合肥 230023)

0 引言

建筑结构的抗震问题一直以来都是科学研究和工程技术人员非常关注的,传统的抗震设计研究主要依靠结构自身的阻尼和动力特性,往往通过加大构件截面尺寸,调整构件布局来提高结构的抗震性能,这会在一定程度上造成设计的不经济,尤其是在高烈度地区,传统的设计方法可能已不再适用。

建筑消能减震设计通过在结构内设置消能部件以达到消减和吸收地震能量,其核心在于通过消能器的有效阻尼耗散大部分的地震能量,是一种柔性好能。很多研究表明:建筑结构设计中,消能器在小震作用下的地震力减震效果一般可达 5%～30%,大震下结构层间位移减震效果可达 30%左右,其在高烈度区更为实用。阻尼器的类型主要分为速度相关型和位移相关型,主要包括黏滞阻尼器、金属阻尼器、摩擦型阻尼器等[1,2]。黏滞阻尼器属于速度相关型,在发生地震时,阻尼器最大限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量,可大大缓解地震对建筑结构造成的冲击和破坏[3,4]。

随着建筑业的发展,消能减震技术的研究工作逐渐崭露头角,如今已得到了较快的发展,国内外出现了大量的有关消能器的布置、本构模型及优化布置的科学研究,对消能减震结构体地震响应分析理论和方法的研究也日渐晚完善,并被写于规范之中。与此同时也出现了较多的工程实例,如上海世博会主题馆、美国纽约世贸中心、加拿大康考迪亚大学图书馆、汶川地震后中小学教学楼及医院的加固等,这些实例说明如今对减震研究的需求越来越大,如何通过合理地布置消能器达到既能大幅度减小地震响应又能较为经济的目的已经成为一个重要的研究课题。

本文通过研究在框架结构中如何合理的选择阻尼器的数量、布置方法和位置,希望达到降低地震响应的目的。

1 阻尼器工作原理

一般对于高烈度区,在结构中设置阻尼器。阻尼器给提供的附加阻尼为主结构提供高效的耗能能力,地震来临之际,其对地震能量的大幅度削弱起到积极有效的作用[3]。

从能量的概念入手对耗能减震体系进行表述。地震中结构的能量方程总可以写为:

传统抗震结构:

Ein=Ev+Ec+Ek+Eh

耗能减震结构:

Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed

式中:Ein为地震过程中输入结构体系的总能量；Ev为结构体系的动能；Ec为结构体系的阻尼耗能；Ek为结构体系的弹性应变能；Eh为结构体系的滞回耗能；Ed为附加体系所消耗的能量。

由于Ev和Ek本质上只是使能量实现了转换而没有被消散,Ec仅占总能量消耗的很小一部分,基本上可以忽略不计。所以在没有添加阻尼器装置的结构里Eh为地震能量耗散的主要部分。在设置了阻尼器的结构中,阻尼器的“柔性耗能”承担了大部分结构本身本要消耗的能量,主结构的变形位移也会因为能量的消减而有所减小,损伤也会得到一定程度的控制。

速度相关型效阻尼器(如黏滞阻尼器)在水平地震作用下往复一周所消耗的能量,可按下式计算[2]:

式中:T1为消能减震结构的基本自振周期;Cj为第j个阻尼器的线性阻尼系数;θj为第j个阻尼器的消能方向和水平面的夹角;Δuj为第j个阻尼器的相对水平位移。

2 阻尼器的布置原则

消能部件的布置应使结构体系均匀(包括竖向和水平),受力合理;消能部件宜布置在层间相对位移或相对速度较大的楼层;消能部件的布置应便于维修、检查及维护[45]。

3 工程实例

某工程抗震设防烈度 8 度,设计基本地震加速度峰值为 0.30g,设计地震分组第三组,Ⅱ类场地,场地特征周期0.45 s,采用框架结构形式,楼层数 6 层,无地下室,总高 19.8 m，如图1所示。

图1 某六层框架模型示意图

3.1 计算程序和力学模型

采用 YJK建模,对无控模型进行小震反应谱法计算。此结构是钢筋混凝土结构,其结构阻尼比为 5%。由反应谱计算结果知结构在规定水平力作用下最大位移角出现在2、3层,分别为1/395和1/380,大于规范限值1/550,各层X方向位移角较大。根据阻尼器布置原则,除了在2、3层各布置9个阻尼器外,在4、5层也布置4个阻尼器,均沿X方向,顶层地震剪力较小,不布置。布置模型如图2所示。

图2 阻尼器的布置

3.2 多遇地震作用下的时程分析

阻尼器参数设定为:初始刚度4.5×106kN/m,阻尼系数C=400 kN·s/m,阻尼指数0.2。采用YJK先对有控模型进行小震反应谱计算,进行生成数据+全部计算后,得到反应谱法计算结果。反应谱法计算是时程计算的中间过程。

根据《建筑抗震设计规范》第5.1.2条相关规定,选取5条强震记录和2条人工模拟加速度时程曲线,采用直接积分法计算阻尼器的有效阻尼和有效刚度,并取时程计算的平均值和反应谱法计算的较大值作为最终计算结果,见表1。布置阻尼器的有控模型各层位移角均小于1/550,满足抗震规范要求,各层构件没有出现超筋现象,整体指标计算结果合理。

表1 反应谱法和时程分析法计算结果对比

布置阻尼器后,各楼层剪力及位移角与减震前对比分析见表2、表3及如图4所示。由图3、图4可知,在位移角较大楼层布置阻尼器后减震效果明显,基底剪力减小了36%,楼层剪力也大大减小。位移角通过阻尼器的布置也减小到1/550以下,满足规范要求。这些充分说明阻尼器的布置是合理的。

表2 减震前后地震作用下结构的楼层剪力

表3 减震前后地震作用规定水平力下的层间位移角

图3 结构减震前后X方向地震剪力对比

图4 结构减震前后Y方向地震剪力对比

根据反应谱计算结果,在后处理 wzq.out 文件中可以查看X、Y方向的各振型的结构阻尼比:X方向地震阻尼比为22%,Y方向地震阻尼比为27.5%。根据《建筑抗震设计规范》第5.1.5条,阻尼调整系数计算公式:

式中：ζ为阻尼比。代入式中,得到η2x=0.606,η2y=0.567,实际的地震影响系数最大值α′=η2α=0.606×0.24=0.145,即实际的地震烈度已经降低到了8度(0.2g)以下。可见,通过合理的布置阻尼器,其附加阻尼可减小地震力对结构的作用,减小地震烈度。通过时程分析法后处理中可以看到阻尼器的滞回曲线,图5、图6是三层某一阻尼器的滞回曲线,其有效刚度为:1 458 kN/m,有效阻尼为3 851 kN/(m·s)。其他阻尼器的有效刚度和阻尼均可通过后处理查看。

图5 三层某阻尼器内力位移滞回曲线

图6 三层某阻尼器内力速度滞回曲线

3.3 罕遇地震作用下的时程分析

消能减震设计时,除了要满足多遇地震下的预期减震要求外,还要满足罕遇地震下的位移要求。罕遇地震下需要对结构进行弹塑性变形验算。根据《建筑抗震设计规范》5.5.5条相关规定,钢筋混凝土框架结构弹塑性位移角限值为1/50;根据《建筑消能减震技术规程》第4.1.7条相关规定,结构目标位移的确定应根据结构的不同性能来选择,宜采用结构总高度的1.5%作为顶点位移的界限值。

通过YJK动力弹塑性分析板块,选择3条地震波,地震加速度最大值设置为510 cm/s2,结果取包络值，如图7所示。由图7可知,在时程分析的某个时间点部分构件产生了一定的损伤,说明构件已经进入塑性阶段,需要且有必要采取弹塑性分析。计算结果表明:结构层间位移角最大值,X方向为1/112,Y方向为1/151,如图8、图9所示,均小于规范要求的1/50。根据图7,顶点最大位移=120.8 mm<19.8 m×1.5%=297 mm,满足规范要求。