陳柏宇，楊群京

（云南正元安泰建設工程設計咨詢有限公司，昆明650000)

1 引言

自2016 年12 月1 日“云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定”（《云南省人民政府令》第202 號）施行以來，減震技術作為一種有效的被動抗震手段，在云南高烈度地區(qū)得到了較大規(guī)模的應用。金屬阻尼器為位移相關型阻尼器中運用較廣泛的一種（主要為剪切型金屬器），一般小震下會屈服耗能，提供附加阻尼比，并能為主體結構提供一定的初始附加剛度，對于剛度偏小，小震下變形較大結構較適用。本文以昆明8 度區(qū)某高層框架-剪力墻工程為實例，介紹了金屬阻尼器減震設計并針對相關問題進行了探討。

2 工程概況及結構選型

工程位于云南省昆明市，抗震設防烈度8 度（0.2g），設計地震分組為第三組，Ⅱ類場地，采用框架-剪力墻結構。地上13層，地下1 層全埋地下室，建筑長156m，寬19.7m，高49.7m。建筑使用功能為醫(yī)療用房，為重點設防類建筑。結構選型在框架、剪力墻及框架-剪力墻結構中選擇了框架-剪力墻結構，避免了框架結構抗側力剛度弱及剪力墻影響建筑功能使用的不利因素。結構體系中剪力墻布置盡量利用了端部及中間的樓電梯位置，形成3 個剛度較大的筒體，增加了結構整體剛度，減少兩端的振動不同步的扭轉作用。隔震、減震方案選擇了減震，隔震需單獨設隔震層，且建筑高度、高寬比等較大，不適合隔震。減震方案布置靈活，不影響建筑功能，經濟性更佳。

3 減震設計流程及目標

3.1 設計流程

位移型剪切軟鋼消能器為金屬阻尼器中最為常用的一種，其阻尼力主要是由軟鋼的塑性應變量，即塑性位移決定。本工程的減震設計流程為：初定減震目標→YJK 初步建?！_定附加阻尼比及附加剛度→確定阻尼器布置方案→建立結構彈性模型→合理選擇地震波及模擬阻尼器→彈性時程分析（FNA 法）→復核附加阻尼比→中、大震彈塑性時程分析（直接積分法）→復核減震目標是否實現→消能部件設計。

3.2 目標及性能目標

進行減震設計時，首先應確定減震的目標及性能目標。目標及性能目標應基于GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016 年版）（下稱《抗規(guī)》）及JGJ 297—2013《建筑消能減震技術規(guī)程》（以下簡稱《減震規(guī)》）的要求，同時，滿足罕遇地震作用下減震結構與非減震結構的水平位移之比應小于0.75 的要求【1】。

3.3 設計原則及方案

消能器在樓層平面內的布置應遵循“均勻、分散、對稱、周邊”的原則。應盡量考慮不影響建筑功能的前提下，安裝于便于檢查、維修和更換的位置。消能器一般布置在層間位移角最大位置處?；谏鲜鲆螅捎昧嘶趬κ竭B接剪切型金屬抗震阻尼器的消能減震方案。阻尼器布置于地上1～10 層，共計320 組墻式連接的剪切型金屬抗震阻尼器，均勻布置在結構的X、Y2 個主方向上。選用的阻尼器參數如表1 所示，結構平面及阻尼器布置位置如圖1 所示（框架梁間的填充部分為阻尼器）。

表1 阻尼器參數表

圖1 結構平面及阻尼器布置圖

4 金屬阻尼器減震分析手段及結果

4.1 剪切型金屬阻尼器模擬

確定附加阻尼比及剛度前，先應進行阻尼器的初步模擬計算。按《減震規(guī)》4.1.8 條規(guī)定，剪切型金屬阻尼器一般可采用雙線性恢復力模型。阻尼器連續(xù)屬性對話框在計算軟件（Midasgen）中模擬實施如圖2 所示。

圖2 金屬阻尼器連接屬性對話框

4.2 彈性等代剛度設計

按《抗規(guī)》12.3.3 條規(guī)定：當主體結構基本處于彈性工作階段時，可采用線性分析方法；消能減震結構的總剛度應為主體結構剛度和消能部件有效剛度的總和。換算阻尼器與連接構件的等效剛度帶入PKPM 或YJK 軟件中進行反應譜分析，進行小震下的結構整體指標及承載力分析，便于結構設計配筋。阻尼器、連接構件及主結構的剛度分別為Kd、Kb及Kf，阻尼器與連接構件為剛度串聯，再與主結構剛度并聯，即消能部件剛度

4.3 彈性時程分析（FNA）及彈塑性時程分析（直接積分法）

按《抗規(guī)》12.3.3 條規(guī)定：對主體結構進入彈塑性階段，應根據主體結構體系特征，采取靜力非線性分析方法或非線性時程分析方法。本工程金屬阻尼器在小震屈服呈非線性，設計采用彈性及彈塑性時程分析，模擬阻尼器及主體構件非線性狀態(tài)。時程分析可按《抗規(guī)》5.1.2 條合理地選擇地震波，滿足一定的統計要求，一般選小震下彈性時程分析地震響應最大的3 條地震波進行大震彈塑性時程分析。小震下時程分析可用FNA 方法，此方法適用于含有有限數量的非線性單元但結構主體保持彈性的時程分析。大震下，部分主體結構構件及阻尼器均會屈服，此時應采用直接積分法，其難點在于合理地選擇地震波及建立數值模型。地震波的選擇應滿足《抗規(guī)》5.1.2 條要求，數值模型以Midasgen 為例簡述如下：（1）需要建立恢復力模型的骨架曲線，一般設框架梁的塑性鉸采用My、Mz方向的彎曲-轉角型塑性鉸，當構件軸力影響不可忽略時，如墻、柱構件，可以勾選考慮軸力-彎矩（P-M）相關，此種基于截面的模型較基于材料的纖維模型相比，其計算速度快，且試驗證明截面模型能更好地擬合鋼筋混凝土構件的力學行為；（2）應定義恢復力模型的滯回規(guī)則，本工程采用武田模型，其能較為精確地模擬鋼筋混凝土構件在反復荷載作用下的彈塑性力學行為；（3）恢復力模型的骨架曲線及滯回規(guī)則可綜合形成一個完備的恢復力滯回數值模型。

4.4 減震分析結果

本工程按上述減震設計流程及分析手段進行了彈性及彈塑性分析，其結果為：（1）小震地震作用下，結構主體處于彈性狀態(tài)，金屬阻尼器在小震下貢獻結構附加阻尼（附加阻尼比為1.5%）和剛度，且屈服耗能，提高了主體安全儲備；（2）罕遇地震作用下連梁、框架梁優(yōu)先出鉸，而后極少數的框架柱、剪力墻出現塑性鉸，結構總體滿足“強柱弱梁”等抗震概念；（3）罕遇地震作用下，X向的層間位移角：減震結構為1/208，非減震結構為1/153，減震/非減震=0.735；Y向的層間位移角：減震結構為1/191，非減震結構為1/141，減震/非減震=0.738，滿足“罕遇地震作用下減震結構與非減震結構的水平位移比小于0.75【2】”要求；（4）在大震彈塑性時程分析中，阻尼器形成飽滿的滯回曲線，且最大受力、位移均未達到極限承載力和位移，詳見表1，附設了金屬阻尼器后，形成了良好的抗震耗能機制，提高了結構主體安全性。

5 金屬阻尼器設計相關問題探討

5.1 金屬阻尼器連接屬性參數設置

金屬阻尼器連接屬性對話框一般如圖2 所示，簡要介紹如下：（1）線性特征值。如圖2 應分別填入線性有效剛度及阻尼，對于金屬阻尼器小震下屈服，有效剛度應填入阻尼器屈服后的割線剛度；有效阻尼與非線性時程分析無關，此值可默認零值。（2）非線性特征值。如圖2 應填入6 個選項值，多數軟件只用填入前4 項，后2 項在Midasgen 中可用默認值0.5。非線性剛度為：阻尼器的屈服剛度=屈服力/屈服位移，和產品參數直接相關；屈服強度為阻尼器屈服力，與雙線性模型拐點處的力一致；屈服后剛度比為屈服后剛度與初始剛度的比值，金屬阻尼器一般為0.02；屈服指數表征構件由屈服前剛度過渡到屈服后剛度的平滑處理程度，建議取值20～30，過大或過小均會造成阻尼器模擬失真。

5.2 金屬阻尼器的延性系數

眾所周知，延性系數越大，結構在強震作用下可以承受大的塑性變形而不破壞倒塌的能力越強。延性系數對阻尼器耗能能力、減震效率（位移、剪力降低率）影響明顯，地震反應降低率Rd、Ra表示成附加體系剛度比Ka/Kf及系統最大延性系數μ 2 個基本參數的連續(xù)函數，詳見圖3【3】。從圖3 可推斷，系統延性系數μ 在一定范圍內增大，系統的位移、剪力降低率均增大。XJJ 075—2016《建筑消能減震應用技術規(guī)程》規(guī)定，金屬屈服型消能器位移達到其設計位移，計算延性系數宜不小于6【4】。根據筆者接觸過的產品，建議控制剪切型金屬阻尼器設計延性系數為10～30。

圖3 金屬阻尼器系統減震性能曲線

6 結語

本文通過一高烈度區(qū)減震工程實例，分析探討了金屬阻尼器設計的相關問題，并給出建議性結論。減震技術在高烈度地區(qū)具有良好的運用前景，本工程設置金屬阻尼器增加了結構剛度并形成了良好的抗震耗能機制，實現了結構安全、合理、經濟的目標。減震設計相關問題可供類似高烈度地區(qū)結構設計參考。