采用粘滞阻尼器对某幼儿园进行消能减震设计

丁自想 刘红尘 吕航（广州大学土木工程学院）

采用粘滞阻尼器对某幼儿园进行消能减震设计

丁自想 刘红尘 吕航（广州大学土木工程学院）

以位于8度抗震设防地区的某框架幼儿园为研究对象，采用粘滞阻尼器消能减震设计，基于ETABS有限元分析软件，在小震和大震作用下对该框架结构的楼层剪力、层间位移角、减震前后框架柱的配筋对比等进行了减震前后的震动控制效果对比分析。结果表明：增设粘滞阻尼器后，该框架幼儿园的楼层剪力和层间位移角得到有效控制，小震作用下层间位移角的减震效果达到38.57%，大震作用下粘滞阻尼器充分发挥了耗能能力，有效改善了结构的安全性能，并达到预期抗震设计目标。

消能减震设计；框架结构；粘滞阻尼器；减震效果

1 引言

消能减震是指在建筑物的抗侧力结构中设置消能器，消耗部分地震能量，降低结构的地震作用，达到预期设防目标的房屋减震设计［1］。粘滞阻尼器属于速度相关型阻尼器，能够将地震输入主体结构的能量大量消耗掉，从而达到保护主体结构的目的。粘滞阻尼器最早在土木工程中的应用源自美国的桥梁工程［2］，后因其具有可重复使用、不影响结构周期和原设计、破坏后便于更换等优点，近年来被广泛应用于土木工程中。墨西哥市长大楼［3］、波士顿110大楼［4］、北京银泰大楼［5］等著名工程采用粘滞阻尼器消能减震设计，以上工程已经证明了阻尼器在建筑抗震中能起到很好的作用。本文基于某幼儿园框架结构工程实例，利用ETABS软件对其进行了小震、大震作用下的有限元分析，研究了结构增设粘滞阻尼器后减震结构与原结构的动力响应，对比分析了减震结构在结构楼层剪力、层间位移角等方面的减震控制效果，同时对粘滞阻尼器的耗能情况进行了分析。

2 工程概况

3层框架幼儿园，总高度11m，建筑面积2942m2，结构标准层平面图如图1所示。该结构采用现浇钢筋混凝土框架结构体系，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.2g，建筑场地为III类，设计地震分组为第一组。

本工程拟采用带粘滞阻尼器的框架结构体系，一定程度上改善结构的抗震性能，使结构在小震、大震作用下能满足《建筑抗震设计规范》［6］（GB50011-2010）（简称抗规）的1/550和1/50限值要求，提高结构在小震、大震作用下的安全储备。

图1 结构标准层平面图

3 结构消能减震设计方案

3.1 粘滞阻尼器布置

综合考虑建筑使用功能、结构抗震要求和多次优化设计，决定在结构第二层X、Y两个方向各布置2套粘滞阻尼器，共计4套。由于使用功能，门窗等条件的限制，本工程阻尼器拟采用单节点单阻尼器墙体支撑的安装方式，粘滞阻尼器均设置在第2层的梁柱中，具体阻尼器安装示意图如图2所示。阻尼器安装位置如图1所示（椭圆标记）。

3.2 粘滞阻尼器的选型

本工程拟采用双出杆型粘滞流体阻尼器。粘滞流阻尼器主要由缸体、活塞、活塞杆和粘滞流体等组成，在外界激励下，活塞杆在缸体内移动，迫使受压流体通过孔隙或缝隙，进而产生阻尼力。粘滞阻尼器的阻尼力F与活塞运动速度v之间具有下列关系：F=Cvα，其中：C为阻尼系数，α为速度指数。粘滞阻尼器设计参数与数量分别见表1。

图2 粘滞阻尼器墙体支撑安装示意图

表1 结构粘滞阻尼器设计参数与数量

3.3 地震波的选取

按抗规的要求，本工程拟采用RH3（人工波）、RH4（人工波）、ELC、KAR、TH1、TH3、TH4共七条地震波。弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力均超过振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值均大于振型分解反应谱法计算结果的80%，时程分析所采用的地震动满足抗规要求。地震时程曲线加速度平均反应谱与规范规定的反应谱对比见图3，由图3可以看出，在结构主要振型周期点上，地震波时程的平均影响系数与规范反应谱相差不大于20%，满足抗规要求。

图3 规范谱与地震波谱对比图

4 地震作用下结构的消能减震分析

4.1 结构动力特性的对比

所建Etabs模型减震前后前3阶振型的周期见表2。由表2可以看出结构减震前后周期相差不大，说明增设粘滞阻尼器不影响结构的周期。

表2 结构减震前后周期对比表

4.2 结构水平剪力计算

小震作用下，结构减震前后7条地震波计算所得楼层剪力平均值的对比如图4所示。由图4可见，增设阻尼器后，楼层剪力减小，减震后结构X、Y向的剪力比原结构X、Y向的剪力最大减小率分别为47.06%、45.96%。可见，结构中增设阻尼器后，有效提高了结构在地震作用下的安全性能。

图4 结构楼层剪力对比

4.3 结构水平位移计算

小震、大震作用下，结构减震前后7条地震波计算所得层间位移角平均值的对比如图5所示。由图5可见，小震下，原结构弹性层间位移角平均值满足规范限值1/550，但是部分地震波的层间位移角超过规范的限值，增设粘滞阻尼器后，Y向减震效率较大，减震后Y向结构位移角最大减小率为38.57%，由1/546由变为1/982，可见，粘滞阻尼器发挥了很好的耗能能力，提高结构的安全性能。大震下，原结构的弹塑性层间位移角虽在规范的限值1/50内，但消能减震结构的弹塑性层间位移角也有一定程度的减小，X向减震效率较大，减震后X向的位移角最大减小率为15.45%，由1/78变为1/93，可见，粘滞阻尼器发挥了很好的耗能能力，提高了结构的安全性能。

4.4 结构框架柱的配筋计算

柱的截面尺寸为b×h=600mm×600mm，混凝土的强度等级C40，框架柱采用对称配筋，钢筋等级为HRB400，纵向钢筋的截面面积为As1，纵向受拉钢筋的截面面积为As，纵向受力钢筋的最小配筋率为ρmin，取0.55%，纵向受力钢筋的最小截面面积为As，min，As，min=ρminbh=1980mm2。与阻尼器相邻框架柱的编号如图1所示 （黑色数字标记）。小震作用下与粘滞阻尼器相邻框架柱的配筋如表3所示。减震后框架柱的配筋均小于最小配筋面积，取最小配筋面积，即减震后框架柱的配筋面积为1980mm2，由表3可见减震后框架柱的配筋显著降低。小震作用下1柱的P-M曲线如图6所示。

4.5 粘滞阻尼器耗能性能分析

小震、大震作用下部分粘滞阻尼器的耗能曲线如图7所示。由图7可知，非线性粘滞阻尼器在小震、大震作用下均具有滞回曲线饱满的特点，说明粘滞阻尼器具有优越的耗能能力，衰减地震输入结构中的能量，进而提高结构的抗震储备。

图5 结构层间位移角对比

图6 1柱的P-M曲线图

表3 框架柱减震前后配筋对比

图7 粘滞阻尼器滞回曲线

4.6 等效附加阻尼比的计算

附加阻尼比计算方法采用规范建议的能量法，采用7组地震波进行时程分析，按《建筑消能减震技术规程》［7］JGJ297-2013第6.3节中公式进行计算并取平均值，计算公式如下：

式中各参数详见《建筑消能减震设计规程》6.3.2条规定。

按照式（1）算得的结构X、Y向等效附加阻尼比分别为6.50%、9.37%。

4.7 与阻尼器连接的墙体支撑截面设计

与粘滞阻尼器连接的墙体支撑截面拟采用：墙体截面宽度b=300（mm），截面长度h=1700（mm），保护层厚度as=30（mm），支撑墙体高度1200mm，混凝土采用C30，钢筋采用HRB400。

式（2）～（6）各参数详见抗规相关规定。

按照式（2）～（6）算得，墙体截面的抗剪承载力Vu与阻尼器阻尼力引起的剪力Vd的比值为1.86，大于1；墙体截面抗弯承载力Mu与阻尼力引起的墙端弯矩Md的比值为1.07，大于1。故本工程拟采用与粘滞阻尼器连接的墙体支撑满足截面抗剪承载力要求且满足截面抗弯承载力要求。

5 结论

⑴减震结构在小震下楼层剪力与层间位移角显著降低，最大减小率分别为47.06%（Y方向）、32.93%（Y方向）。小震、大震作用下粘滞阻尼器的滞回曲线饱满，粘滞阻尼器在小震、大震中都有很好的减震作用。大大增强了结构的整体抗震能力，提高了结构的安全性。

⑵减震后，结构在小震下层间位移角小于1/550，大震下层间位移角小于1/50，满足抗规要求。

⑶按以上消能减震设计，结构增设的阻尼器可为结构提供6%的附加阻尼比。

⑷减震后框架柱的配筋显著降低，框架柱配筋最大减小率为42.5%，说明阻尼器发挥了很好的减震效果。●

［1］唐家祥.建筑隔震与消能减震设计［J］.建筑科学，2002，1: 21-27+44.

［2］魏锦涛.液体粘滞阻尼器及其在土木工程中的应用［J］.四川建筑科学研究，2006，2:124-128+135.

［3］A Rahimian，Enrique Martinez Romero.Standing Tall for the Torre Mayor Project at Mexico City［J］.Modern Steel Construction，2003，4:1-8.

［4］Robert J.Mcnamara，Douglas P Taylor.Fluid Viscous Dampers for High-Rise Building［J］.Structural Design Tall Special Building，2003，12:145-154.

［5］马良喆，陈永祁，赵广鹏.银泰中心主塔楼采用液体粘滞阻尼器的减振设计［J］.建筑结构，2009，05:23-28+33.

［6］GB50011-2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［7］JGJ297-2013建筑消能减震设计规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.