董長祥 岳焱超 尚世力 鄒小亮 王新娣

(1.山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013； 2.西安交通大學，陜西 西安 710049；3.上海藍科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433)

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粘滯阻尼器在框架結構中的應用分析研究

董長祥1岳焱超2尚世力2鄒小亮3王新娣3

(1.山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013； 2.西安交通大學，陜西 西安 710049；3.上海藍科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433)

結合工程實例，介紹了粘滯阻尼器在框架結構中的設計思路，并建立了Perform3D模型，對使用粘滯阻尼器的結構進行了彈塑性時程分析，結果表明，粘滯阻尼器能充分耗散地震能量，為結構提供附加阻尼比，減輕結構的地震反應。

框架結構，粘滯阻尼器，彈塑性時程分析，屈服狀態(tài)

傳統(tǒng)的結構抗風、抗震是通過結構自身的強度和剛度來抵御地震和風荷載，由于地震的不確定性和風荷載的模擬的欠缺，使得工程師不能十分準確的計算結構未來遭受的地震和風的影響，那么結構很可能不滿足安全性要求[1]。如果能夠有效的對結構進行振(震)動控制，例如在結構增加阻尼器，就能有效的改善結構在動力荷載下的影響，從而提高結構的抗震抗風能力。

粘滯阻尼器最先用在軍事和重工業(yè)領域[2]，將阻尼器用于結構的振動控制還是始于20世紀80年代，在這方面的研究美國和日本做的比較早，目前粘滯阻尼器在結構中的應用技術已經(jīng)比較成熟，目前許多工程都在采用粘滯阻尼器進行結構的振動控制。

本文將對某一實際工程運用粘滯阻尼器的減震效果進行分析。

1 工程概況

本工程位于8度區(qū)，抗震設防烈度為8度(0.2g)，地震分組為第二組，場地類別為二類，該工程為四層框架結構，建筑高度為19.5 m，結構體系為框架結構。

2 設計思路目標

1)本工程減震建筑的要求為：在多遇地震下，其建筑結構須完全保持彈性，且非結構構件無明顯損壞；在罕遇地震考慮下，其減震阻尼器系統(tǒng)仍能正常發(fā)揮功能。2)本工程減震設計依據(jù)預期的水平向地震力和位移控制要求等參數(shù)，計算出減震結構所需求的總阻尼比(ξeff)，據(jù)此選擇適當?shù)淖枘崞?，并配置在適當?shù)奈恢谩?)阻尼器配置在層間相對位移或相對速度較大的樓層，同時采用合理形式增加消能器兩端的相對變形或相對速度，提高消能器的減震效率。4)對含減震阻尼器的結構進行整體分析，包含各個不同地震考慮下的結構彈塑性分析。根據(jù)以上設計思路和要求，本工程采用11個粘滯流體阻尼器，它們分別是：X向1層～3層，每層2個，一共6個，Y向1層2個，2層3個，一共5個。所用阻尼器的參數(shù)如表1所示。

表1 粘滯流體阻尼器參數(shù)表

3 結構的彈塑性時程分析

3.1 Perform3D模型的建立

本工程使用大型有限元軟件Perform3D進行結構的彈塑性時程分析，在軟件中，使用非線性單元Damper模擬粘滯阻尼器，主體框架結構梁、柱均定義為塑性鉸，Perform3D模型圖如圖1所示。

為了校核所建立的結構模型的準確性，將Perform3D和PKPM建立的非減震結構模型計算得到的質量、周期和振型分解反應譜法下的層間剪力進行對比，如表2～表4所示。

表2 非減震結構質量對比 t

表3 非減震結構周期對比(前三階) s

表4 非減震結構基底剪力對比 kN

綜合表2～表4可知，用于本工程減震分析計算的Perform3D模型與PKPM模型，在結構質量、周期、基底剪力方面的差異很小，因此，兩模型基本上是一致的。

3.2 地震波的選取

按GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范要求，該結構的抗震計算應采用動力時程分析法，且動力時程分析應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于2組實際強震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線。本工程結構的減震設計首先采用擬合的人工波進行設計，然后再輸入2條天然地震波和1條人工波，取得包絡值后進行比較，以保證計算的合理性，所采用的人工波和天然地震波的加速度時程曲線見圖2～圖4。

3.3 結構彈塑性時程結果

為了分析結構在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結構的彈塑性性能，對結構進行單向地震輸入作用下的彈塑性動力性能進行分析，得出結構地震作用響應結果，如位移、塑性鉸分布等，最終結果見表5，表6。單向地震作用下，地震波分別沿X，Y向輸入。

表5 大震下結構層間位移角

rad-1

表6 大震下結構層間剪力 kN

3.4 結構彈塑性時程屈服狀態(tài)

該部分分別截取了3條地震波作用下梁柱構件最終屈服狀態(tài)圖，通過梁柱的出鉸情況可以看出結構在地震作用下的受損程度。

PF3D中使用的塑性鉸定義遵循FEMA性能化設計準則。

以KL250×650為例，使用三折線塑性鉸模型。在這里三種變形狀態(tài)的取值可以對應延性，取1,2及2.5時的變形，即IO取值為屈服曲率，LS取值為2倍的屈服曲率，CP取值為2.5倍的屈服曲率。隨著延性比增加，截面進入塑性逐漸增強。

圖5～圖10反映的是三條地震波作用下梁柱構件最終屈服狀態(tài)。

通過上面的各種地震作用下的梁柱出鉸圖可以看出，在大震作用下，大部分的梁柱沒有出鉸，阻尼器在大震作用下能吸收大部分的能量，從而有效的保護梁柱結構。

3.5 阻尼器滯回曲線

該部分提取粘滯阻尼器的內(nèi)力—變形曲線，以查看粘滯阻尼器在七條地震波罕遇地震作用下的滯回性能，取Y向1軸粘滯阻尼器為例，以kN，mm為單位，如圖11～圖13所示。

通過圖11～圖13可以看出，在大震作用下阻尼器表現(xiàn)出對稱飽滿的滯回性能，阻尼器在大震作用下能耗大部分地震能量，從而有效的保護了主體結構。

4 結語

通過對結構整體模型進行了彈塑性時程分析，采用七條地震波分析了結構在X向單向和Y向單向地震輸入時結構的彈塑性性能，主要結論如下：

1)在罕遇地震作用下，結構的整體變形均沒有超過規(guī)范限值的1/80，其中X方向平均最大層間位移角為1/156，Y方向平均最大層間位移角為1/143，滿足“大震不倒”的抗震設防標準；2)粘滯阻尼器形成飽滿的滯回曲線，在七條地震波罕遇地震作用下，粘滯阻尼器全部進入耗能狀態(tài)，且受力未達到極限承載力，位移未超過極限位移，這說明粘滯阻尼器是結構耗能的一種主要構件，充分耗散地震能量，可提供相當?shù)母郊幼枘岜龋瑴p小結構地震反應。

[1] 張志強,李愛群,徐慶陽,等.建筑減振粘滯阻尼器工程應用新進展[J].江蘇建筑,2007(2):15-19，58.

[2] 蔣春艷,魏建國,王森林.網(wǎng)架結構的粘滯阻尼器減震控制[J].四川建筑,2007(5):148-150.

[3] 侯志菡.某教學樓采用粘滯阻尼器的消能減震設計[J].山西建筑,2015，41(6):32-33.

[4] 陳瑞雪,邢國雷,薛 濤.復合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震分析[J].山西建筑,2015，41(32):45-47.

[5] 羅 鵬,羅蘇平,謝長余.附加非線性粘滯阻尼器加固結構的動力分析[J].山西建筑,2015，41(32):51-53.

[6] 常方方,劉 清,宋和平.粘滯阻尼器加固某中學框架的減震分析[J].低溫建筑技術,2012(5):72-74.

On application of viscous damper in framework

Dong Changxiang1Yue Yanchao2Shang Shili2Zou Xiaoliang3Wang Xindi3

(1.ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China; 2.Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China; 3.ShanghaiLankeBuildingDampingTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200433,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the design ideas for the viscous dampers in the framework, establishes the Perform3D model, undertakes the elastic plastic time-history analysis for the viscous damper, proves by the result that the viscous damper can consume the seismic energy, so as to provide the additional damper ratio and relieve the structural earthquake response.

framework, viscous damper, elastic plastic time-history analysis, yielding status

1009-6825(2016)11-0034-03

2016-01-28

董長祥(1963- )，男，高級工程師； 岳焱超(1983- )，男，碩士生導師，講師； 尚世力(1989- )，男，在讀碩士

TU352.1

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