周暢 潘文 張智吉 趙東龍 王有新

（昆明理工大學建筑工程學院，昆明 650500）

0 引言

傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設計大多是通過增大截面或改變結(jié)構(gòu)體系提高其抗側(cè)力進行抗震，這種方法雖然有效，但也存在許多問題。隨著對結(jié)構(gòu)能量吸收與耗散的研究，消能減震技術(shù)已較為成熟并被廣泛運用，選取粘滯阻尼器可在為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比的同時不附加額外剛度，已在實際工程中得到大量運用［1］。

本文以云南某康復中心為例，采用粘滯阻尼器對結(jié)構(gòu)做出減震設計及分析。

1 工程概況

本工程為云南某康復中心，建筑地上地下共計9層，高42.45 m，建筑平面長為45.6 m、寬為24.9 m，總建筑面積為10 413.03 m2?？拐鹪O防烈度為8度（0.20），設計地震分組為第三組，場地土的類型為中軟土，場地類別為III類，場地特征周期為0.65 s，屬于重點設防類（乙類）。結(jié)構(gòu)分析模型如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)選取現(xiàn)澆框剪結(jié)構(gòu)與減震技術(shù)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，框架與剪力墻均為一級。經(jīng)過減震設計后，原結(jié)構(gòu)阻尼比將提升，作用于主結(jié)構(gòu)的地震力會因此削減，能控制細部構(gòu)件的尺寸，使得用鋼量明顯減少，從而使結(jié)構(gòu)兼具經(jīng)濟性與適用性等特點；同時也改善了結(jié)構(gòu)的固有抗震性能，讓其獲得更為富余的安全儲備，也能達到規(guī)范的硬性要求。

2 消能減震方案

2.1 阻尼器的選擇

結(jié)構(gòu)選型規(guī)范，建筑無特殊薄弱層，選取框架-剪力墻結(jié)構(gòu)雖已具有一定剛度，但建筑為重點設防類——醫(yī)院，且處于高烈度地區(qū)，應該采用減震消能技術(shù)進行性能化設計。適宜選取粘滯阻尼器，不僅不會增加額外剛度加劇地震反應，而且還可以提供較大阻尼比，有效改善損傷狀況，避免生成新的薄弱層，提高整體結(jié)構(gòu)抗震性能［2］。

2.2 阻尼器的布置及參數(shù)

在充分保證建筑功能及使用效果的情況下，按照《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ 297—2013）［3］和《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）［4］的具體要求，在原有結(jié)構(gòu)中布置46個阻尼器，其中1~2層每層布置8個，3~7層每層布置6個。阻尼器平面布置如圖2、圖3所示。

圖2 1~2層減震器平面布置

圖3 3~7層減震器平面布置

粘滯阻尼器的阻尼力按式（1）計算：

式中，C為阻尼系數(shù)；V為阻尼器變形速率；a為阻尼指數(shù)。

為充分發(fā)揮建筑性能，本工程選取懸臂墻式粘滯阻尼器，阻尼器參數(shù)如表1所示，安裝形式如圖4所示。

圖4 阻尼器安裝形式

表1 粘滯流體阻尼器參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

3.1 抗震設防目標

依托阻尼器優(yōu)秀的耗能效果，能讓消能減震結(jié)構(gòu)在保證不調(diào)整結(jié)構(gòu)設計及選型的條件下，相比傳統(tǒng)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)能擁有更好的抗震表現(xiàn)，減震目標如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)減震目標 單位：rad-1

3.2 地震波的選取

本工程根據(jù)規(guī)范規(guī)定，考慮了結(jié)構(gòu)所處地區(qū)的地震設計分組與場地類別，采用5條實際強震波和2條人工波進行分析。比較了反應譜法與時程分析計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力，對比結(jié)果如表3所示。由表可知，計算結(jié)果符合規(guī)范規(guī)定，表明所選地震波是合理準確的。

表3 結(jié)構(gòu)底部剪力對比

3.3 有限元模型驗證

對YJK與SAP2000軟件所建的無阻尼器模型求得的質(zhì)量、前3階周期和振型分解反應譜法下的層間剪力進行對比，保證結(jié)構(gòu)模型無較大偏差，如表4所示。通過表4對比可得YJK與SAP2000模型差值，不難看出，兩種模型在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、各層剪力方面計算結(jié)果相近，因此選擇通過YJK建模并對結(jié)構(gòu)展開彈性分析的研究方式可行，能獲得結(jié)構(gòu)的固有特征。

表4 YJK模型與SAP2000模型對比

3.4 彈性時程分析

應用YJK軟件創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，并對結(jié)構(gòu)進行計算，比較原有結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)的剪力及位移角，各向?qū)Ρ热鐖D5—圖8所示。結(jié)構(gòu)布置消能構(gòu)件后，減震結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)X向、Y向?qū)娱g剪力分別減小了27.03%、32.28%；減震結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)X向、Y向?qū)娱g位移角分別減小了37.63%、42.56%，說明此減震設計是合理的，同時對結(jié)構(gòu)性能改善明顯，擁有更好的抗震表現(xiàn)。

圖5 減震前后X向?qū)娱g剪力對比

圖8 減震前后Y向?qū)娱g位移角對比

圖6 減震前后Y向?qū)娱g剪力對比

圖7 減震前后X向?qū)娱g位移角對比

3.4.1 附加阻尼比分析

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》，消能部件附加有效阻尼比可按式（2）確定，結(jié)果如表5所示。

表5 附加阻尼比 單位：%

式中，a為結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結(jié)構(gòu)預期層間位移下往復循環(huán)1周所消耗的能量；Ws為設置消能部件的結(jié)構(gòu)在預期位移下的總應變能。

3.5 彈塑性時程分析

按照規(guī)范需對7條地震波進行調(diào)整，調(diào)整后的峰值加速度為400 cm/s2，采取與彈性時程分析相同的地震波，每條波的基底剪力均滿足在反應譜65%~135%，且針對7條波取平均值，滿足規(guī)范要求。

結(jié)構(gòu)在罕遇地震下各層層間位移角如表6、表7所示，可以看出，采用減震消能技術(shù)的結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)抗震性能提升明顯，安全儲備富余，粘滯阻尼器在大震作用下具有較好的減震能力。

表6 大震下非減震結(jié)構(gòu)層間平均位移角 單位：rad-1

表7 大震下減震結(jié)構(gòu)層間平均位移角 單位：rad-1

阻尼器在大震下滯回曲線如圖9所示，可以看出，阻尼器滯回曲線飽滿，耗能能力優(yōu)秀，可為原結(jié)構(gòu)提供安全保障。

圖9 阻尼器滯回曲線

4 結(jié)論

本工程為結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則、豎向規(guī)則的建筑，針對本工程結(jié)構(gòu)特點以及地形的特殊情況，采用YJK和SAP2000進行相應的消能減震設計分析，得到以下結(jié)論：

1）通過合理布置粘滯阻尼器可使高烈度地區(qū)的框剪結(jié)構(gòu)滿足抗震設防要求。

2）滯阻尼器在X向和Y向結(jié)構(gòu)獲得的附加阻尼比分別為12.54%、14.18%，可達到相關(guān)結(jié)構(gòu)的減震規(guī)定。

3）小震、大震下消能減震結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別滿足規(guī)范要求的1/880、1/170，較原結(jié)構(gòu)也有明顯減小。