馮 愛 霏

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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粘滯阻尼器的應(yīng)用分析

馮 愛 霏

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

根據(jù)阻尼器在結(jié)構(gòu)中的布置原則，介紹了粘滯阻尼器四種不同的安裝方式,并通過算例,對(duì)這四種安裝形式下粘滯阻尼器的減震效果進(jìn)行比較,指出剪刀型安裝方式和肘節(jié)型安裝方式具有一定的優(yōu)越性。

消能減震技術(shù)，粘滯阻尼器，布置安裝方式

1 概述

地震以及風(fēng)等外部影響對(duì)建筑物的安全性產(chǎn)生巨大的威脅，如何有效降低建筑物和其內(nèi)部設(shè)施的損壞，一直以來都是工程設(shè)計(jì)人員致力解決的問題。增大梁柱截面、減少梁柱間距、提高建筑材料強(qiáng)度等“硬抗”的方法是設(shè)計(jì)人員一直以來采用較多的，但是，增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的同時(shí)其自身質(zhì)量也隨之增加，使得結(jié)構(gòu)體系對(duì)地震力等外部作用的影響隨之放大，需要更強(qiáng)的剛度來抵抗，同時(shí)也造成材料上的更大消耗。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)手段是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷來抵抗外部影響的能量，而這些構(gòu)件同時(shí)也是結(jié)構(gòu)的主要受力部位，受損后不利于修復(fù)，也無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對(duì)“安全、舒適”建筑結(jié)構(gòu)的需求。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中逐步引進(jìn)了消能減震技術(shù)，尤其汶川地震后,我國進(jìn)一步加大了在工程設(shè)計(jì)中消能減震技術(shù)的應(yīng)用,該技術(shù)逐漸成為抗震研究的主要發(fā)展方向之一。

消能減震技術(shù)是在工程結(jié)構(gòu)中安裝減振裝置，由減振裝置與結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同承擔(dān)地震、風(fēng)等外部荷載作用，即共同存儲(chǔ)和消耗輸入結(jié)構(gòu)中的外部荷載引起的能量(例如消能減振裝置——粘滯阻尼器可將輸入結(jié)構(gòu)中的能量轉(zhuǎn)化為熱能然后耗散)，進(jìn)而達(dá)到減輕和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)等外部作用下的動(dòng)力影響，實(shí)現(xiàn)保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。它在外部動(dòng)力影響時(shí)才發(fā)揮作用，無外部影響則不工作。延續(xù)了過去延性設(shè)計(jì)的思路又克服了損壞后不方便修復(fù)的缺點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)對(duì)策也是目前結(jié)構(gòu)抗震的重大突破和未來的發(fā)展方向。我國的科研技術(shù)人員在這方面也展開了很多工作，比如施工簡單的粘滯阻尼器到如今已經(jīng)發(fā)展到了第三代技術(shù)，它可以用于民用建筑(住宅、辦公、商場)、大跨公共建筑、工業(yè)建筑、橋梁等,尤其是學(xué)校等生命線工程國家更是明確作出了要求。

2 粘滯阻尼器的原理以及在結(jié)構(gòu)中的布置安裝方式

粘滯阻尼器是一種速度型阻尼器,其設(shè)計(jì)原理是利用粘性介質(zhì)和阻尼器結(jié)構(gòu)部件的相互作用產(chǎn)生阻尼力，粘性介質(zhì)在缸體中運(yùn)動(dòng)時(shí)將外部輸入結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能然后消耗。粘滯阻尼器外形簡單，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，安裝便捷，但其耗能效率高，起到的作用明顯。粘滯阻尼器荷載按安裝節(jié)點(diǎn)最大阻尼力不大于額定荷載的原則選用；其行程的選擇可根據(jù)安裝節(jié)點(diǎn)的膨脹位移量和工作行程的大小確定，同時(shí)考慮每邊不小于20 mm的行程富余量，一般建筑的阻尼器行程建議在150 mm以內(nèi)。粘滯阻尼器設(shè)計(jì)的原理用公式表達(dá)如下：

F=C×Vα。

其中，F(xiàn)為阻尼力，kN；C為阻尼系數(shù)，kN/(mm/s)α；V為活塞運(yùn)動(dòng)的速度，mm/s；α為速度指數(shù)，根據(jù)工程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選定：以結(jié)構(gòu)抗震為主時(shí)一般取0.1～0.3；以結(jié)構(gòu)抗風(fēng)為主時(shí)一般取0.4左右，同時(shí)兼顧抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)取0.3。

粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)中的布置方式一般來說應(yīng)以使扭轉(zhuǎn)效應(yīng)盡可能小的原則布置在結(jié)構(gòu)中，主要有以下幾點(diǎn):

1)豎向布置以層間位移作為衡量標(biāo)準(zhǔn),阻尼器宜設(shè)置在層間位移較大的樓層?？蚣芙Y(jié)構(gòu)等以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)一般布置在下部樓層，剪力墻等以彎曲變形為主的結(jié)構(gòu)一般布置在上部樓層。當(dāng)層間位移基本相等時(shí),阻尼支撐適宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)的下部。

2)平面布置盡量讓結(jié)構(gòu)主體剛度中心和質(zhì)量中心重合，無法重合時(shí)盡量減小其距離，總體采用均勻、對(duì)稱、分散的原則，粘滯阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)中一般在梁柱間安裝，其工作效率與安裝方式有很大的關(guān)系，受安裝方式的直接影響。實(shí)際工程應(yīng)用中阻尼器一般安裝方式有：單斜支撐、人字支撐、剪刀支撐、墻墩支撐。支撐方式的選擇應(yīng)綜合考慮其對(duì)建筑布局的影響。單斜支撐結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，但其對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的影響較大；人字支撐對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)基本無影響，但要考慮其側(cè)向穩(wěn)定性；剪刀支撐阻尼效果較好，但對(duì)框架梁影響較大，容易引起框架梁片面外變形；墻墩支撐受力簡單，相對(duì)其他三種方式自重較大，設(shè)計(jì)框架梁時(shí)需考慮其自重。阻尼器安裝應(yīng)該在其鄰近設(shè)備、結(jié)構(gòu)構(gòu)件安裝結(jié)束后實(shí)施。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

山西省太原市汾東中學(xué)教學(xué)樓，地下1層，地上5層，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，所在地抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，地震分組：第二組，場地類別：Ⅲ類。根據(jù)《山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳關(guān)于積極推進(jìn)建筑工程減隔震技術(shù)應(yīng)用的通知(第115號(hào))》文件及GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，本工程采用減震技術(shù)，抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。

3.1 減震目標(biāo)和性能目標(biāo)

建筑結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)和性能目標(biāo)見表1。

表1 建筑結(jié)構(gòu)減震目標(biāo)和性能目標(biāo)表

3.2 設(shè)計(jì)方案

本工程主要是通過設(shè)置粘滯阻尼器控制結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的預(yù)期變形，從而達(dá)到不同等級(jí)的抗震設(shè)防目標(biāo)。具體設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)附加阻尼比的確定，選擇阻尼器參數(shù)和計(jì)算阻尼器布置的數(shù)量，以及阻尼器的平面布置及安裝方式，計(jì)算設(shè)置阻尼器后結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)變化，并且對(duì)比前后位移數(shù)據(jù)變化，周期影響；罕遇地震作用下的位移驗(yàn)算，調(diào)整承載力不足的構(gòu)件，確認(rèn)阻尼器的極限位移。

3.3 確定附加阻尼比

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)構(gòu)阻尼比為5%，預(yù)計(jì)附加阻尼選用3%，消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比為8%。并采用ETABS軟件進(jìn)行附加阻尼比的校核計(jì)算。

3.4 計(jì)算確定阻尼器的參數(shù)和數(shù)量，安裝位置及形式

考慮建筑布局后其中2層～4層阻尼器平面布置圖見圖1。

ETABS彈性分析小震下最大層間位移結(jié)果見表2。

表2 ETABS彈性分析小震下最大層間位移結(jié)果表

驗(yàn)算結(jié)構(gòu)附加阻尼比見表3。

表3 結(jié)構(gòu)附加阻尼比

結(jié)構(gòu)采用《抗規(guī)》第12.3.4條方法確認(rèn)結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的附加阻尼比：X向?yàn)?.47%，Y向?yàn)?.06%，達(dá)到3%的附加阻尼比。阻尼器選取見表4。

表4 阻尼器參數(shù)表

結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，滯回曲線飽滿。罕遇地震下采用三條地震波分析了結(jié)構(gòu)在X向單向和Y向單向地震輸入時(shí)結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，三條波的計(jì)算結(jié)果為：REN1波X向1/150，Y向1/192；T3號(hào)波X向1/130，Y向1/154；T5號(hào)波X向1/188，Y向1/292。對(duì)不同地震波的時(shí)程分析，根據(jù)規(guī)范要求，三條地震波可取包絡(luò)值。梁鉸先于柱鉸出現(xiàn)，滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。罕遇地震作用下，與阻尼器相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，并未失去承載力，阻尼器仍能正常工作。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目最終共采用粘滯阻尼器14個(gè)，在2層～4層的X，Y方向分別放置2個(gè)阻尼器，5層X向1個(gè)，Y向1個(gè)，其C值都為130 kN/(mm/s)0.15。對(duì)有控結(jié)構(gòu)和無控結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，有控結(jié)構(gòu)達(dá)到了結(jié)構(gòu)的減震目標(biāo)，即：多遇地震作用下層間位移角達(dá)到1/600以下，基底剪力減小20%。復(fù)核結(jié)構(gòu)的附加阻尼比達(dá)到預(yù)設(shè)值。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 297—2013，建筑消能減震技術(shù)規(guī)程[S].

Application analysis of viscous damper

Feng Aifei

(Shanxi Academy of Building Design, Taiyuan 030013, China)

According to viscous damper allocation principles in the structure, the paper introduces four kinds of viscous damper installation methods. Through calculation example, it compares seismic reduction effects of viscous damper with four kinds of installation methods, and finally points out that: both scissor-style installation method and toggle-style installation method have certain superiorities.

energy dissipation technology, viscous damper, allocation installation method

1009-6825(2016)30-0068-03

2016-08-15

馮愛霏(1984- )，女，工程師

TU352

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