考虑延性比的闸房黏滞阻尼器减震效果分析

孙 宾，鲁文妍，刘怒涛，刘海祥，柯敏勇，曲智美

(1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

随着国内经济快速发展，水利与建筑行业对建筑物抗震能力越发重视，一大批消能减震项目涌现，根据新的地震区划图及规范要求，抗震结构需要消能减震技术来解决结构加固问题。结构抗震性能中的一个重要指标是延性比，该指标为极限变形与初始屈服变形之比。

本工程采用延性比分析评估闸房混凝土框架的抗震性能。通过抗震结构在地震工况的变形能力试验结果，当延性比指标为4，表明抗震结构残存抗力还大于屈服点抗力，结构损伤程度不高，在中等以下，震后可对结构进行加固达到使用功能的恢复，因此，减震方案效果评价时应使构件的延性比在4以下。

到目前为止，全世界已有很多工程使用了黏滞阻尼器，涉及到高层建筑、桥梁、高耸结构、海洋石油平台甚至卫星发射塔等。很多安装黏滞阻尼器的建筑在强风和强震的作用下成功的经受了考验。225m高墨西哥的市长大楼中安装了98个黏滞阻尼器，在2003年的7.6级地震中完好无损。安置了42个黏滞阻尼器的秘鲁立马机场塔楼在2007年的8级强烈地震中经受了考验。南京奥体中心观光塔中安置了30个黏滞阻尼器，在2005年麦莎台风中满足人体在大风条件下的舒适度要求。西安长庆石油管理大楼顶部钢塔上安置了20个黏滞阻尼器，在经历2008年汶川大地震后，所有阻尼器都完好无损，没有发现任何黏滞流体渗漏现象。现有的理论分析和试验结果可以说明，黏滞阻尼器可以有效地减小地震作用，而且黏滞阻尼器在结构的抗震抗风控制中有很广泛的应用前景。

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽溢洪洞检修闸房在2018年11月之前完工(按乙类设防设计)，依据2018年11月实施的GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》工程设防类别应由乙类提高为甲类。按最新规范复核结果表明，闸房梁、柱构件均存在配筋不足问题，需要进行抗震加固处理。

闸房结构尺寸为19.9m×8.8m×26.3m(长×宽×高)。闸井平台层高程为1827.00m；启闭机层高程为1848.00m，布置有固定卷扬式启闭机、电控柜；屋顶层高程为1853.30m。框架柱尺寸为1.4m×1.4m、0.9m×0.9m(宽×高)，如图1所示。

图1 闸房三维示意图

经过分析，该闸房刚度相对较大，增加刚度的加固方法会引起地震力的增加，难以满足其抗震要求，故不适宜采用刚度型产品进行加固。综合比较后，拟采用黏滞阻尼器减震方法，以达到闸房结构抗震性能提高的目的。

2 阻尼器参数及布置

沿闸房结构的2个主轴方向分别设置黏滞流体阻尼器，其数量、型号、位置通过多轮时程分析进行优化调整后选取。依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》以及提供的建筑设计图、结构布置图和设计分析结果，确定在地面以上每层适当位置沿结构的2个主轴方向分别设置黏滞阻尼器，从而降低结构的地震反应。共布置阻尼器20根，其中x向布置10根，y向布置10根，阻尼器布置位置如图2所示，阻尼器参数见表1。

图2 闸房黏滞阻尼器方案布置

表1 闸房黏滞阻尼器技术参数

3 结构分析模型建立

3.1 计算方法及地震波输入

采用非线性弹塑性时程分析方法，通过反复运算对比，确定黏滞阻尼器较优布置方案。本工程由专业单位提供相关地震数据资料，100年(aetsba)超越概率2%，选取3条地震动时程文件，名称分别为：aetsba021、aetsba022、aetsba023，时间间隔为0.02，时长取值为60s，最大峰值为375cm/s2。时程分析时三条地震波分别按x和y轴方向进行输入。

3.2 材料本构

闸房结构采用考虑刚度退化的非线性本构模型，其中梁构件采用考虑刚度退化的三折线模型，该模型考虑了钢筋混凝土结构在地震等往复荷载下的实际滞回性能；柱构件混凝土采用考虑零刚度及退化影响的三折线模型，钢筋采用考虑刚度退化二折线理想模型(如图3—5所示)。

图3 钢筋混凝土梁本构模型(考虑刚度退化三折线模型)

图4 混凝土柱本构模型(考虑混凝土零刚度及退化影响)

图5 混凝土柱钢筋本构模型(考虑刚度退化二折线模型)

3.3 荷载布置

外墙荷载按均布荷载布置在各层外梁上，考虑内外装饰抹灰荷载为10kN/m，女儿墙按均布荷载布置在顶层外部梁上，为5.5kN/m。楼板按面荷载布置，考虑楼板找平抹灰，抹灰荷载为3kN/m2，活荷载考虑安装操作为2kN/m2，地震作用时活荷载折减一半，为1kN/m2。起重机自重荷载，Q1=83kN、Q2=82kN、Q3=67kN、Q4=68kN，分别布置在F5层主梁和次梁上。

4 减震效果分析

4.1 层间位移角

分别对横流向和顺流向地震时闸房原结构与附加阻尼器装置结构进行弹塑性时程分析，层间位移角结果如图6所示。结果表明，横流向地震时021X地震波对原结构响应最大，最大值发生在第4层，层间变形角1/179，顺流向地震时023Y对原结构响应最大值发生在第3层，层间变形角为1/88。采用阻尼器布置方案后，横流向地震时闸房层间位移角最大值1/262；顺流向地震时闸房层间位移角为最大值为1/114，层间位移角显著减小。

图6 闸房层间位移角对比

4.2 结构层间剪力

闸房的层间剪力对比见表2，从表中数据可得出，抗震结构在布置完黏滞阻尼器后，各层闸房的框架结构剪力减少为8.7%～32%。

表2 闸房层间剪力对比 单位：kN

4.3 结构出铰情况及延性比

图7为横流向地震时闸房y1轴延性比图，由于闸房结构对称，y2轴与y1轴结果基本一致，此处不再赘述。图中红色实心圆表示为弯曲屈服分布，当图中出现红色三角时表示发生剪切破坏。剪切破坏属脆性破坏，结构设计中应尽量避免构件出现剪切破坏。由图7可以看出横流向地震时，闸房原结构和阻尼器布置方案均未出现剪切破坏；加固前闸房y1轴出铰个数为24个，原结构F4层延性比超过4倍(4.55)，属于较为严重损伤，闸房需要进行减震加固。

图7 横流向地震时闸房y1轴出铰及延性比

图7右图为附加黏滞阻尼器后的闸房y1轴延性比图。采用阻尼器布置方案后(VFD结构)，梁的塑性铰出铰明显减少(由加固前的24个减少为4个)。有阻尼器结构的延性比降低到4倍以下(最大1.729)，属于轻微受损，震后略加修复即可正常使用。

图8—9左图分别为顺流向地震时闸房x1轴、x2轴延性比图，由于闸房结构对称，x3轴、x4轴结果与x2轴、x1轴基本一致，故在此省略不做表述。可以看出加固前闸房x1轴出铰个数为19个，原结构F4延性比超过4倍(最大4.4)，属于较为严重损伤，闸房需要进行减震加固。加固前x2轴延性比均在4倍之内(最大3.48)，属于轻微受损，震后略加修复即可正常使用。

图8 顺流向地震时闸房x1轴出铰及延性比

图9 顺流向地震时闸房x2轴出铰及延性比

图8—9右图为附加黏滞阻尼器后的内力图及延性比(延性比)图。采用阻尼器布置方案后(VFD结构)，梁的塑性铰出铰明显减少(x1轴由加固前的19个减少为5个；x2轴出铰仍为4个，但内力明显减小，在一、二、三层柱的弯矩、剪力和轴力有显著减小，在原结构中顶层中间柱头顶部出铰，加阻尼器后出铰消失。在延性比图中，有阻尼器结构的延性比降低到4倍以下(x1轴最大2.47，x2轴最大1.99)，属于轻微受损，震后略加修复即可正常使用。

4.4 滞回曲线

滞回曲线为构件或结构在力循环往复作用下的力～变形曲线。根据构件在反复水平荷载下的滞回曲线形状，可以分析构件的抗震滞回特性。图10为x向和y向地震时阻尼器的滞回曲线。看图可知为，饱满的滞回曲线，说明阻尼器有良好的工作状态，闸房结构耗散地震能量的能力较强。

图10 阻尼力～变形曲线图

5 结语

本文采用黏滞阻尼器减震方法提高了进水塔顶部闸房抗震性能，并考虑刚度退化的本构模型开展了闸房地震非线性时程对比分析，将延性比作为减震方案效果的重要考量因素。本抗震加固设计方案是一种采用局部加固进而提高建筑结构整体抗震性能的加固方法，在不改变原结构、不增加原结构的负担的情况下，通过附加的耗能装置改变结构的动力特性，在大震作用下“以柔克刚”消耗地震能量，增设的耗能装置不影响闸房内部使用空间和闸房内设备正常运行。加固中采用的阻尼器和连接支撑可预先制作现场安装，方案具备施工周期短，投资省，对建筑物功能干扰小，减震效果显著的特点。