消能减震技术在工程结构设计中的应用

雷才波

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司昆明分院，昆明 650200）

1 工程简介

本项目中综合楼平面尺寸为54.55 m×14.35 m，建筑面积为1 438.27 m2，建筑层数为3层，结构形式为框架结构，基础采用柱下条形基础，建筑高度为11.925 m，抗震设防分类为重点设防类。抗震设防烈度为8度，0.2g，第三组。场地土的类型属中软场地土，拟建场地属Ⅱ类建筑场地。

2 常规计算

综合楼混凝土强度等级除垫层外均为C30，首层柱断面为600 mm×600 mm，梁最大断面为400 mm×600 mm，各层楼板厚为100～120 mm。计算振型数为9。由于综合楼为乙类建筑，框架抗震等级及构造措施按一级计算。

由于综合楼首层层高较高，且位于高烈度区，属于乙类建筑，所以采用加大柱截面的方法提高结构的抗震能力。这种方法在很多情况下是有效的，但也存在以下问题：

1）结构主要构件截面过大、配筋过多，材料花费较多，工程造价大幅度提高，而且使得建筑使用功能受到限制，使用空间变小；

2）结构构件截面、配筋增大后，结构刚度将大幅度增加，结构在地震中吸收的地震能量也将大幅度增加；

3）地震能量将主要由结构构件的弹塑性变形来耗散，导致结构在大震中损坏严重，结构损伤模式仍然难以控制，对结构的安全不利；

4）两个方向尺寸差异较大，导致两个主轴方向的动力特征相差较大，Y方向位移角富余量较小；

5）偶然偏心规定水平力作用下，Y方向位移比过大。

3 减震设计

3.1 结构设计方案

该项目结构减震设计的主要内容如下：根据既定设计目标确定减震设计中的阻尼比，以便选择合适的阻尼参数，确定阻尼器的型式与具体的安装部位。利用有限元计算分析软件对附加了阻尼器的结构进行多遇地震计算分析，配筋计算模型采用时程均值进行计算，同时采用两种不同软件的包络设计值作为配筋计算结果。对于结构在罕遇地震下的计算分析内容主要以位移计算分析为主，同时对超过承载能力极限状态的构建进行适当的调整。

3.2 减震设计目标

在结构减震设计中，确定合理的减震目标是设计的关键所在，这是由于减震目标的设立关系到结构经济性与稳定性的均衡，是实现减震设计性价比的最根本因素。在确定减震设计目标时，既要达到常规设计的要求，同时也要尽量减少消能元件的使用量。

3.3 减震设计过程及方法

3.3.1 结构建模

根据建筑条件，按传统结构设计方法用YJK（或PKPM）软件建模计算，保证模型各项指标（周期比、位移角、位移比、剪重比等）满足规范要求。将已建好的YJK（或PKPM）模型导入ETABS中，使用膜单元模拟楼板，将ETABS和YJK（或PKPM）建立的非减震结构模型计算得到的质量、周期和振型分解反应谱法下的层间剪力、层间位移及层间位移角进行对比。本工程两者结果差值1.551%～3.546%，两者计算结果差异很小，因此，两种软件计算模型基本上是一致的。该步骤仅用于验证两种软件计算差异很小，可以互通使用。

3.3.2 确定附加阻尼比

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和。

采用YJK（或PKPM）软件试算的方式，首先估算出当结构达到目标位移值时，所需的总阻尼比，再用总阻尼比减去结构阻尼比，就是结构所需的附加阻尼比，采用ETABS软件进行附加阻尼比的校核计算。本工程中采用YJK软件试算，当结构达到减震目标位移值时，所需阻尼比为7%，所以附加阻尼比2%。

3.3.3 确定阻尼器的参数和数量及安装位置和型式

由所得的附加阻尼比，根据经验及建筑平面布置，假定阻尼器布置的位置，使用连接单元准确模拟阻尼器代入ETABS模型中试算，不断尝试调节连接单元参数、阻尼器的位置或数量使计算结果满足附加阻尼比的要求，最终根据满足要求的连接单元的参数选择相应的阻尼器产品，得出结构所需阻尼器的阻尼系数和阻尼指数，同时确定阻尼器的数量。

阻尼器的安装位置：阻尼器在楼层平面内的安装布置应遵循“均匀、分散、对称”的根本原则，尽量降低地震时的应力集中，并均衡结构刚度。阻尼器的竖向布置则应以非减震设计模型计算所得的最大层间位移角数据为依据，将阻尼器安装在位移角偏大的位置。之后再对安装了一个阻尼器的模型展开有限元分析计算得到最大层间位移角位置，再次安装阻尼器，如此循环下去，最终完成阻尼器的竖向布置。但需要注意的是阻尼器的安装不能在某一层过于集中，也应尽量竖向均匀安装。同时阻尼器应优先选用悬臂墙式黏滞阻尼器以免对建筑使用功能造成影响。

3.3.4 建立有限元模型，选取地震波，进行小震弹性时程分析

在ETABS中，使用连接单元准确模拟黏滞阻尼器，选取符合规范要求的5条天然波和2条人工波，对结构进行小震下弹性时程分析。所得内力结果与未采用减震技术结构进行比较，该部分为采用减震技术最核心内容，对比内容及结果详见后文计算结果对比。

3.3.5 对结构进行大震弹塑性分析

使用SAP2000进行减震结构的弹塑性时程分析，分析主体结构进入塑性的变形特征及阻尼器在大震下所发挥的特性。在SAP2000中，使用连接单元damper模拟黏滞阻尼器，主体结构框架梁、柱均定义塑性铰。弹塑性时程分析过程中，在弹性时程分析的基础上选择3条地震波进行计算分析，最终结果取3条地震波作用下的包络值。大震作用下X方向减震结构层间位移角1/260，未采用减震结构为1/155，Y方向减震结构层间位移角为1/250，未采用减震结构为1/184。

4 计算结果对比

本文将未采用减震技术模型计算结果和采用减震技术计算主要结果进行比较。

4.1 结构自振周期对比

采用减震技术，结构自振周期变小，如表1所示。

表1 两种设计方案的结构自振周期对比

4.2 结构位移角对比

由表2可知：采用减震技术后，各楼层位移角提高较明显，为Y方向提供较大抗侧刚度，使两个方向位移角值更接近，更符合规范要求的两个方向动力特性宜相近的要求。在不改变梁柱断面的情况下使结构有了更多富余刚度。

表2 两种设计方案的结构位移角

4.3 结构位移比对比

由表3可知，建筑平面尺寸为54.55 m×14.35 m，所以X向刚度较大，Y向相对较弱，所以采用减震技术时对Y向位移比改善较明显。

表3 两种设计方案的结构位移比

4.4 结构底部剪力、剪重比对比

由表4可知，采用减震技术后，两个主轴方向各层剪力变小7.61%～10.32%。所以所需抵抗地震剪力的钢筋相应减少。

表4 两种设计方案的结构底部剪力、剪重比

5 结论

经过以上计算结果对比，可以发现：（1）采用减震技术能有效地减小层间位移角，增加安全储备；（2）设计时可以根据需要,在位移较大的位置布置阻尼器，使结构位移比减小；（3）减震技术在不增加梁柱断面的情况下，减小含钢量，使经济性更好；（4）减震技术可以有效地减小底部地震剪力，保证地震作用下结构的安全。

综上所述，对高地震烈度地区的建筑工程设计时，对重要的、大型的建筑可以优先考虑采用消能减震技术，不仅符合当今社会人们对建筑工程越来越高的抗震设防要求，也满足人们对建筑使用功能、使用年限、经济性等的诉求，是结构抗震设计的发展趋势。