陳昭行，曾祥威

(廣州大學 土木工程學院，廣東 廣州 510006)

0 前 言

隨著科技和經(jīng)濟的發(fā)展，人們對建筑的安全性提出了更高的要求，通過安裝消能減震設備來提高建筑的安全性能應用越來越廣泛[1-2]。本文以某框架結構建筑為例，利用ETABS軟件平臺對結構進行了多遇地震、設防地震和罕遇地震下的有限元時程分析，探討了增設粘滯阻尼器與原結構的相關動力響應，對比層間剪力、層間位移角等參數(shù)，并使用能量法對粘滯阻尼器耗能情況進行了評估。

1 工程概況及模型建立與驗證

本文基于ETABS軟件平臺，本文以某框架結構建筑為背景，對該結構采用粘滯阻尼器控制的方案，提高結構在多遇、設防和罕遇地震作用下的安全儲備[1]，實現(xiàn)相關的減震設計要求，保證其在使用荷載作用下的正常使用性能。根據(jù)該建筑的PKPM設計結果，建立減震結構的ETABS計算分析模型,采用軟件中的快速非線性分析(FNA)方法，只考慮阻尼器的非線性，結構本身假設為線性[3-4]。

本建筑設計使用年限50年，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.30 g，設計地震分組為第二組。對減震結構進行動力時程分析，驗證減震結構的減震效果。結構ETABS模型的總質(zhì)量為4 335 t，PKPM模型的總質(zhì)量為4396 t，兩者誤差為1.40%，ETABS前四階振型的周期分別為0.689、0.649、0.583、0.224 s，PKPM前4階振型的周期分別為0.691、0.646、0.585、0.225 s，前4階周期兩者最大誤差為0.49%，有效驗證了ETABS模型的正確性。采用EATBS軟件計算了非減震結構規(guī)范設計反應譜8度多遇地震下的動力響應，與原計算結果比較，模型地震剪力分布較為吻合，誤差均小于5%。因此，利用ETABS建立的非減震結構有限元模型準確反映了實際結構的質(zhì)量和剛度分布，可以作為非減震結構的動力響應計算的基準模型[5-6]，也可以作為后續(xù)減震分析的初始模型。

2 輸入地震動評價

輸入地震動的頻譜特性對結構動力響應有重要影響，當?shù)卣饎又饕l率成分與結構頻率接近，結構的地震動響加強[7]，按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[8]要求，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力以及多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值分別不應小于振型分解反應譜法的65%、80%。本文選用人工合成加速度時程曲線2條，天然地震記錄地震波5條，共7條地震波，譜曲線以及規(guī)范譜曲線如圖1。

圖1 地震波譜與規(guī)范普對比

根據(jù)文獻[8]，該建筑為烈度為8度(0.30g)，地震動加速度峰值在多遇地震、設防地震和罕遇地震時為：110，300，510 cm/s2。

3 粘滯阻尼器的選型與布置

消能減震建筑的抗震設防目標應高于一般依靠自身強度及變形能力(延性)來抗御地震的建筑的抗震設防目標。同時考慮結構要滿足粘滯阻尼器提供附加阻尼比5%，故綜合考慮該結構的建筑平面布置、抗震要求、兼顧粘滯阻尼器的布置原則[9]，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化[10]，在該結構中X、Y方向各布置6套，一共布置12套粘滯阻尼器，布置形式為單節(jié)點單阻尼器，采用墻體支撐的安裝方式，其標準層布置方案如圖2所示。

圖2 結構標準層平面圖及其阻尼器布置位置

粘滯阻尼器是依據(jù)流體運動通過節(jié)流孔時能產(chǎn)生粘滯阻力的原理而制成的，是無剛度、速度相關型阻尼器[11]。本文粘滯阻尼器的設計參數(shù)[12]如表1所示。

表1 粘滯阻尼器設計參數(shù)

4 減震控制效果分析

4.1 結構樓層與基底剪力

多遇地震下結構樓層剪力見圖3。在多遇和設防地震作用下，由于結構中增設了粘滯阻尼器，與非減震結構相比其剪力有所下降。

(a)X向

(b)Y向

在多遇地震作用下，減震結構與非減震結構相比，X方向最大減震效果為35%，Y方向最大減震效果為37%；設防地震作用下，減震結構與非減震結構相比，結構層間剪力亦有所降低，X方向最大減震效果為21%，Y方向最大減震效果為25%?？梢?，結構中增設粘滯阻尼器后，能有效降低結構的地震力。表2中原結構以及減震結構的均值指7條地震波時程分析結果層間剪力最大值的平均值。表2中減震效果=(原結構-減震結構)/原結構×100%。

表2 地震作用下結構樓層剪力

4.2 結構層間位移角

多遇地震下結構層間位移角見圖4。

(a)X向

(b)Y向

從圖4可知，多遇地震作用下，在結構中設置粘滯阻尼器后，結構X向?qū)娱g位移角減小，最大減震效果達31%，結構Y向?qū)娱g位移角亦有一定幅度減小，最大減震效果達到37%；在設防地震作用下，結構X向?qū)娱g位移角減小，減震效果達19%，Y向?qū)娱g位移角亦有一定地減小，最大減震效果達到25%；在罕遇地震作用下，結構X向?qū)娱g位移角有效減小，減震效果達14%，Y向?qū)娱g位移角亦有一定地減小，最大減震效果達到19%。表3中原結構以及減震結構的均值是指7條地震波時程分析結果層間位移角最大值的平均值，減震效果=(原結構-減震結構)/原結構×100%。

表3 地震作用下結構層間位移角倒數(shù)(1/θ)

4.3 結構粘滯阻尼器耗能性能分析

結構1在天然波3作用下X向部分粘滯阻尼器的滯回曲線如圖5所示。由圖可知，非線性粘滯阻尼器在設防、罕遇地震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點，說明粘滯阻尼器具有優(yōu)越的耗能能力，衰減地震輸入結構中的能量，進而提高結構的抗震儲備。

(a)設防地震

(b)罕遇地震

根據(jù)文獻[13]，使用能量法計算消能部件附加給結構的有效阻尼比。根據(jù)X、Y向結構在預期位移下的總應變能分別為23 217、19 914J，X、Y向粘滯阻尼器在結構預期層間位移下往復循環(huán)一周所消耗的總能量分別為20 086、19 283J，X、Y向估算的粘滯阻尼器附加給結構的有效阻尼比分別為6%、7%，均可以達到理想的減震效果。

4.4 消能減震裝置對結構內(nèi)力的影響

以結構在人工波1多遇地震作用下為例，提取結構與消能部件連接的梁柱軸力、剪力及彎矩包絡值。結構軸框架內(nèi)力包絡值對比結果見圖6。由圖6可知，結構增設消能減震裝置后，與原結構相比，結構⑨軸梁端彎矩、梁端剪力、柱軸力均有所降低，最大減效果分別達48%、53%、51%，表明粘滯阻尼器可以降低框架地震內(nèi)力。

(a)梁端彎矩

(b)梁端剪力

(c)柱軸力

4.5 與阻尼器連接的支撐截面設計

本工程擬采用的與粘滯阻尼器連接的墻體支撐截面為：墻體截面寬度b=200 mm，截面長度h=2400 mm，保護層厚度as=30 mm，截面有效長度h0=h-as=2370 mm，支撐墻體高度取l0=2150 mm，混凝土采用C30，鋼筋采用HRB400。以下各式中參數(shù)參考文獻[14]。

1)對墻體支撐抗剪承載力進行驗算。跨高比小于5，判斷支撐屬深受彎構件。計算墻體截面自身抗剪承載力Vu，由于有效寬度與高寬比大于6，所以剪力按式(1)計算，得Vu=1049 kN

(1)

式中，Vu為墻體截面抗剪承載力；βc為混凝土強度影響系數(shù)，本文取1；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)本文取0.85；h0為剪力墻截面有效長度。

按式(2)計算阻尼器引起的剪力，得Vd=600 kN

Vd=1.2×nFd

(2)

式中，Vd為阻尼器阻尼力引起的剪力，由前文所述，取值500 kN；Fd為設計阻尼力；n為單節(jié)點阻尼器個數(shù)。

由于Vd

2)對墻體支撐進行設計計算，粘滯阻尼器的阻尼力引起的彎矩Md：

Md=Vdl0=nFd(h1-h安)/2

(3)

式中，Md為阻尼力引起的墻端彎矩；Vd為阻尼器阻尼力引起的剪力；Fd為設計阻尼力；n為單個節(jié)點阻尼器個數(shù)；l0為支撐墻體高度；h1為框架凈高；h安為阻尼器安裝高度，400 mm。

則由式(3)阻尼力引起的彎矩Md=1290 kN·m

對于深受彎構件，由于l0

Mu=fyAsz/γRE

(4)

由Mu>Md，得As>2361 mm2。取8根直徑20 mm的HRB400鋼筋，實際配筋面積2 513 mm2。

5 結 論

1)采用ETABS軟件建立的有限元模型能夠準確反映實際結構的質(zhì)量和剛度分布。

2)在結構層剪力響應方面：該結構在多遇地震作用下，減震結構與非減震結構相比，X方向最大減震效果為35%，Y方向最大減震效果為37%；設防地震作用下，減震結構與非減震結構相比，結構層間剪力亦有所降低，X方向最大減震效果為21%，Y方向最大減震效果為25%。可見，結構中增設粘滯阻尼器后，能有效降低結構的地震力。

3)在控制層間位移角方面：該結構在設置粘滯阻尼器后，在多遇地震作用下，在結構中設置粘滯阻尼器后，結構X向?qū)娱g位移角減小，最大減震效果達31%，結構Y向?qū)娱g位移角亦有一定幅度減小，最大減震效果達到37%。

4)減震控制方案通過設置粘滯阻尼器來增加結構的附加阻尼比，經(jīng)過計算可得所提減震控制方案在X、Y方向分別能為結構附加6%、7%的附加阻尼比，能夠?qū)崿F(xiàn)達到理想的減震效果。

5)結構增設消能減震裝置后，與原結構相比，與阻尼器相連的框架中梁端彎矩、梁端剪力、柱軸力均有所降低，最大減效果分別達48%、53%、51%，表明粘滯阻尼器可以降低框架地震內(nèi)力。

6)對于考慮粘滯阻尼器支撐墻體的抗剪承載力進行了驗算，對墻式支撐進行了截面配筋設計。

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