采用粘滞阻尼器的高层钢结构减震设计研究

2022-01-12宋鹤，郭栋

建材与装饰 2022年2期

宋鹤，郭栋

（山西四建集团有限公司，山西太原 030000）

0 引言

在19 世纪末，粘滞阻尼器因其对温度不灵敏等特点，建筑行业大多数设计人员认为有减震耗能作用，对建筑物的抗震性能的品质提供良好保障。目前，减震耗能技术已发展成熟，它可以应用在新建建筑物上或已有建筑结构中，体现出结构减震耗能效果。但是，对设计员来说，建筑物加上粘滞阻尼器，衡量抗震效果的作用才是设计的主要任务。本文针对上述问题，采用美国Computer and Structure Inc 企业研发出ETABS 软件分析建筑主体结构在遭受地震影响下的时程效应，进行进一步研究。

1 工程概况

该项目位于晋中市北部，乌金路以东，文华街以北，大学街以南。图1 为应用有粘滞阻尼器的实训楼效果图，本工程1#、2#实训楼长 72.8m，宽 21.4m，建筑总高度 26.550m，地上 5 层；3# 和3-1#实训楼长81.9m，宽21.4m，建筑总高度24.730m，地上5 层；连廊两个，连接1#和2#、2#和3#实训楼，长36.18m，宽27.90m，建筑总高度10.130m，地上一层；均采用钢框架结构。实训楼结构使用设计年限50 年，安全等级为二级，建筑抗震设防类别丙类，地面粗糙度类别C 类，抗震设防烈度为Ⅷ度，地震加速度0.20g，设计地震分组为第二组。图2 为粘滞阻尼器内部结构及实物简图。

图1 实训楼钢结构效果

图2 粘滞阻尼器内部结构及实物

2 粘滞阻尼器概述

粘滞阻尼器结构由几部分构成。活塞杆在腔体循环运动时，粘滞流体由孔洞流出，从而对腔体和活塞杆产生反向阻尼，进而消耗地震能量，如图3 所示。

图3 阻尼器结构

阻尼器中粘滞阻力和速度因素有关，图4 为粘滞阻力与速度呈现的函数关系和滞回曲线，具体函数关系如式（1）。

图4 粘滞阻力与速度关系和滞回曲线

式中：F——粘滞阻力，kN；C——粘滞阻力系数，[kN/（mm/s）]α；V——速度，（mm/s）；α——速度指数，α 为1h，是线性阻尼器；α不为1h，是非线性阻尼器，随着α 的减小，能量消耗强度越高。α 的常用范围为0.15～0.40。

粘滞阻尼器能有效影响结构的阻尼比，因此应用粘滞阻尼器能有效降低结构的地震响应。本项目采用的粘滞阻尼器的布置型式为人字支撑形式，如图5 所示。

图5 粘滞阻尼器立面布置

3 耗能减震方案

减震目标为阻尼器提供附加阻尼比，近一步减小地震所带来能量的冲击，提高结构抗震性能。

阻尼器的布置应满足建筑使用要求，并通过时程分析，反复优化调整确定，本项目在地上一层和二层两个主轴的合适地点布置粘滞阻尼器，共计8 组，X、Y 向均布置4 组，阻尼器参数如表1 所示，平面布置如图6 所示。

表1 实训楼粘滞阻尼器参数

图6 地上1～2 层消能构件平面布置（每层4 个）

4 弹性时程分析

4.1 模型建立

利用ETABS 建立三维模型，对结构进行模态研究，得出低阶模态周期、基底剪力及质量，与盈建科模型分析结果进行对比，如表2 所示。

表2 盈建科模型和ETABS 模型对比

由表2 中数据可知，两种模型分析所得最大差异指标为基底剪力，相差5.96%，其余指标相差均小于2%，在多遇地震下，两种模型振动响应趋势基本一致，证明了ETABS 模型分析的可靠性。

4.2 地震波的选取

粘滞阻尼器在不同地震波的影响下，会产生不同的耗能效果及附加阻尼比。本文对实训楼的研究，选取三条时程曲线进行分析，分别为天然波一 Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2952（T01），天然波二Northridge-01_NO_953（T02）及人工波三ArtWave-RH4TG055（T03），图7 为三种地震波曲线，持续时间见表3。表4 为基底剪力对比结果。

表3 时程曲线持续时间

图7 地震波

表4 时程分析基底剪力

由表4 数据可知，三组时程曲线分析所得的结构基底剪力均大于振型分解反应谱计算结果的65%；三组时程曲线分析所得的结构基底剪力的时程平均均大于振型分解反应谱计算结果的80%；三组时程曲线所得的有效持续时间与结构基本周期的比值均大于5.0，满足规范要求。

4.3 粘滞阻尼器计算结果及等效阻尼比

图8 所示分别为X、Y 向粘滞阻尼器的滞回曲线。两向阻尼器的滞回曲线较为饱满，具有良好的耗能能力。

图8 X、Y 方向粘滞阻尼器滞回曲线

从表5 可以得出，粘滞阻尼器在三组地震波中，可以为结构提供的最小附加阻尼比为1.4%。

表5 附加阻尼比计算

5 大震弹塑性分析

5.1 模型建立

应用PERFORM-3D 软件进行大震弹塑性分析，建立三维有限元模型，如图9 所示。混凝土不考虑其受拉作用，受压采用Mander 模型，主体结构梁、柱的弯曲破坏采用集中塑性铰进行模拟，梁采用M 铰，柱采用PMM 铰。图10 为粘滞阻尼器的组件模型。

图9 PERFORM-3D 建立模型

图10 粘滞阻尼器的组件模型

5.2 整体地震反应评估

图11、13 为层间位移与层间位移角曲线，图12、14 为层间剪力与层间倾覆力矩曲线。图11～图14 表明：在大震作用下，在X向的结构顶部最大位移为0.268m；在Y 向结构顶部最大位移为0.271m；在X 向上结构的最大层间位移角为1/78，在Y 向上结构的最大层间位移角为1/85。最大弹塑性层间位移角都符合规范1/50 的下限。图11～图14 表明：在大震影响下，X 向上结构的最大基底剪力为16218.81kN；Y 向上结构的最大基底剪力为16570.44kN。最大层间倾覆力矩 X 向为 402312.59kN·m，Y 向为318110.06kN·m。以上结果说明：结构在大震影响下部分构件已经屈服，有塑性变形出现，承载力、刚度均下降，但仍有保证“大震不倒”的刚度、承载能力。同时由表6 可知，大震下计算所得的阻尼器的附加阻尼比约为1.1%。