解析粘滞阻尼器在框架结构减震设计中的运用

莫玉　陈婷婷　陈学昊

【摘 要】对粘滞阻尼器在框架结构隔震设计中的应用要点进行了分析。首先对粘滞阻尼器的应用原理探讨，文章依托某项目实例为研究背景，对该方法的应用过程进行了研究。

【关键词】粘滞阻尼器; 框架结构; 减震设计; 运用

【中图分类号】TU352.12【文献标志码】A

粘滞阻尼器是一种无刚度且和速度存在关系的阻尼器装置，内部结构组成比较简单，减震效果是非常好的，所以被广泛的使用到土木工程抗震领域内。粘滞阻尼器的应用可以实现快速的消耗大量的能量，避免地震产生过大的影响，能够有效减少楼层层间的位移量。

粘滞阻尼器在发达国家中的发展已经十分成熟，并且在建筑行业中也得到了广泛地运用。随着社会科技的不断发展，粘滞阻尼器技术的应用效果越来越明显，并且在吸能减震方面得到了良好的回应。特别是在一些发达国家，尤其是地震带上的国家，例如美国，其最容易受到地震、飓风等自然灾害，这无形中对建筑物伤害也是最大的，特别是在加州一带，为了减少自然灾害对建筑物的损害，降低经济损失，因此，其在建筑项目中必须加入粘滞阻尼器，否则该建筑物将无法通过相关部门的审计，设计方案也获取许可证，由此可见，粘滞阻尼器对建筑行业中起到了不可缺少的重要地位，在建筑行业中开辟了一片新天地。

该装置的安全性比较好，但是当前的粘滞阻尼器在设计中依然有着明显问题无法解决。基于此，本文以某工程的减震设计作为出发点，希望通过分析可以提升粘滞阻尼器的减震性能，满足现代化建筑应用的需要。

1 粘滞阻尼器原理分析

粘滞液体阻尼器通常也被人们叫做是粘滞阻尼器，其内部的组成很简单，主要是油缸、活塞、阻尼孔、活塞杆等，活塞的结构部件直接在油缸中实现往复的运动，经过设置的阻尼孔部分，就能够在内部形成比较多的阻尼材料的液体。油缸和活塞在保持运动的过程中，由于活塞中的结构部件有较大的压力差，就会使得阻尼材料实现联合运动，然后就会产生比较多的阻尼力。粘滞阻尼器的工作原理就是在应用中阻尼材料直接吸收振动所形成的能量，然后可以消除能量的影响，能够减少振动的不良反应，提升总体的应用效果。阻尼器其内部结构主要是阻尼器外滑套必须与建筑结构的活动端口连接在一起，而腔体端部需要与建筑物的的腔体部位连接在一起。当阻尼器的外滑套一旦发生变动时，则这个外滑套就会发生转移，与活塞杆向腔杆的内轴运动，从而形成一个结构稳固的端点。阻尼器在运动过程中，结构上的阻尼就会出现弹性胶体，接着就会产生巨大的阻抗力，将动能转化成热能，从而形成保护系统，有效地保护了结构系统。

2 粘滞阻尼器的作用

很多建筑工程都引入了阻尼器，通过引用阻尼器可有效实现建筑结构的稳固性和抗震能力。如在军事工程和抗爆工程中也引用了阻尼器。主要是通过若干个阻尼器安装在结构柱中，可以有效地提高建筑结构的稳定性和抗震能力，从而提升建筑物的安全性。在阻尼器系统中，粘滞阻尼器是目前唯一具有抗震、减少建筑结构发生位移的装置，但是在安装过程中其安装技术和工艺很重要，因此，在安装过程中想确保其安装的手段和位置的合理性，这样才实现抗震效果。合理的安装能够确保粘滞阻尼器的作用如下：

（1）具有良好的抗地震抗狂风的作用。

（2）用于大幅度钢构，提高结构系统的稳定性。

（3）用于超高层的钢结构建筑抗风的TMD系统。

（4）用于建筑物基础的隔振建筑结构。

（5）用于大型精密设备实验室的减震。

（6）用于核电站、核岛、机场指挥控制塔台等重要建筑物。

（7）可以快速地将建筑工程中存在空隙的空间进行闭合，提高建筑体的稳固性。

（8）军事工程、抗爆工程的建筑结构加固。

3 工程概况

某工程为市重点工程，从设计方案分析发现，该建筑是框架结构形式，设计地震设防烈度是8度，地震分为第三组。结合该地区所设定的工程地震设防管理的标准和要求，该工程需要选择应用最佳的减震技术，应用消能部件能够减少地震造成的不利影响，以保证整体结构安全的要求。

4 阻尼器参数及布置位置

4.1 附加有效阻尼比的計算

按GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》进行设计，下文中简称《抗规》，《抗规》第 12.3.4 条明确规定了消能部件来确定阻尼比参数，设计计算公式如下所示：

ξ=ΣW/（4W） （1）

4.2 阻尼器布置原则及合理位置

阻尼器设定在相同的楼层结构中，要按照均匀、分散、对称等原则来进行设计，并且需要确保各个阻尼器的设定间隔距离控制在合理的范围内，一般都要控制在60 m以下。竖向布置设计应该达到连续、均匀的基本原则，在合理的设计之后可以保证其结构设计更加的安全与稳定。按照结构设计的标准，分析目前的建筑结构的综合性能，在该项目的设计中主要是布置有27个粘滞阻尼器的分布数量见表1。设计中，该方案的粘滞阻尼器的非线性变形关系按式（2）计算：

F=CV（2）

式中：C为阻尼系数，按设计标准确定;α为阻尼指数，按照设计方案的要求来进行确定;V是结构的强度性能。

5 结构抗震性能分析

5.1 结构的减震目标

综合分析上文中的《抗规》以及JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术教程》，下文简称《高规》，分析其中所包含的内容，能够充分的了解到当地的罕见地震发展情况，分析减震设计的目标、粘滞阻尼器的结构部件等方面，除了要达到建筑工程的安全性要求，还要了解其具体的节能标准和要求，能够达到建筑工程的使用标准。

5.2 地震波的确定

结合上述国家标准和要求，进行地震震动分析与设计，应该从振幅、频谱特性、持时的角度出发，选择其中的5条强震记录与2条人工模拟加速曲线，以分析地震产生之后所形成的作用和效果，能够更好的应用抗震设计的结构形式。

5.3 弹性时程分析

应用ETABS 软件系统来进行减震与非减震模型方面的弹性时程方面的分析，能够综合分析两种结构形式在地震发生时所产生的影响。在具体的设计中，主要是通过使用连接单元Damper 模拟粘滞阻尼器。

5.4 减震结构弹塑性时程分析

从地震的弹塑性的模型方面进行抗震设计，这是非常重要的设计手段与方法，可以更好的保证当前的抗震设计效果，所以被广泛的使用到抗震设计领域内，产生非常好的效果。该工程在设计方案确定中，主要是通过SAP2000软件实现减震系统的结构设计模拟和分析，能够保证设计效果。在设计中，主要是通过系统内连接单元Damper 模拟粘滞阻尼器。弹塑性时程分析的环节中，能够在进行弹性分析的条件之下应用三条地震波进行计算和分析。结合具体的规范要求和现场的实际情况，确定合理的地震波的调动幅值参数。单向地震作用力的影响之下，地震波分别沿 X 向、Y 向输入。按照《抗规》中的相应条件，为了能够使得抗震的作用和影响之下使得其结构性能符合要求，能耗机制符合标准，在结构允许的条件之下可以将其注入塑性部件，而结构耗能与结构出铰状况和出铰顺序都会存在直接的联系。

6 粘滞阻尼器布置及其参数设计

通过合理的应用耗能结构部件来进行建筑工程项目的减震加固设计，本次设计中主要是通过效能减震装置来实现。在结构减震加固设计中，要进行地震的多重作用之下来进行地震响应分析。通过结构设计方式能够实现层间角的偏移设计、楼板加速度设计、底部剪力等方面来开展设计，可以保证阻尼器符合工程的使用要求，能够满足减震率的要求，能够保证符合抗震标准，能够明确具体的粘滞阻尼器数量以及位置。在设计方案确定之后，该工程中安装了27个阻尼器装置，主要是形成了消能的减震形式，该阻尼器中主要是在建筑工程的外围结构中布置相应的四榀框架的结构，在各层中都设置有该结构。初步设计完成之后，要结合我国的當前抗震设计规范和标准，能够了解当地的地震发生实际情况，然后合理进行地震操作变形的分析与验算。粘滞阻尼器在进行技术参数设计中，能够了解具体的综合减震设计标准，了解具体的阻尼器中的结构设计所造成的影响，因此应该实现各个参数的协调与分析设计，确保其减震响应比较小，同时还能够保证主体结构在地震的作用之下所产生的底剪力相对较小，能够在允许的范围之内，不会产生严重的后果。在本次工程设计方案的确定中，通过模拟分析的方式，可以确定最佳的抗震结构模型，确保其各项的抗震设计参数和结构的性能都能符合要求，符合具体的减震性能标准要求，且不会给整个结构的性能产生不利的影响。

7 结论

粘滞阻尼器应用到当前的建筑工程中的减震结构设计环节，与传统的抗震性能做出分析，能够有着比较高的效果和性能。本文以实际案例展开分析，经过设计与验算，总体抗震效果比较好，产生非常高的实际应用价值。

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[定稿日期]2021-03-02

[基金项目]四川水利职业技术学院院级科研项目（项目编号：KY2019-11）

[作者简介]莫玉（1990～），女，硕士，讲师，主要从事建筑抗震及绿色建筑相关科研和教学工作。