粘滞阻尼器减震框架结构设计与分析

刘敏聪

（广州大学 土木工程学院）

0 引言

随着《建设工程管理条例》于2021年9月正式施行，国家从立法层面对重点设防类结构提高了更高的抗震要求。而传统的抗震结构难以承受超出设防地震作用时带来的破坏，因此推广减隔震技术成为解决高烈度地区结构抗震需求的重要手段。在消能减震领域，粘滞阻尼器属于速度型阻尼器，在结构遭受地震动的全过程均可耗散能量，仅仅提供附加阻尼，对结构的振型周期基本没有影响，因此被广泛应用于各种结构形式之中。文献[1]指出，消能减震设计应当与现有的规范与设计软件对接，更好地完善设计理论的实施。本文基于PKPM软件的减震模块，给出附加粘滞阻尼器结构在实际设计中的详细流程，以满足抗震规范要求。

1 减震设计方法

1.1 结构设计流程

通过详细的设计，给抗震结构布置适当数量以及合适参数的消能减震装置，能够有效地提高抗震性能，一般能够减少约20%～30%的地震响应，满足结构在不同烈度地震作用下的性能要求（一般为最大层间位移角限值）。其一般流程为对减震结构进行多遇地震弹性计算，按照时程平均值进行配筋设计，即小震弹性设计；然后，对减震结构进行罕遇地震弹塑性分析，即大震变形验算；最后对阻尼器向量的连接构件即结构构件进行专项设计。其在PKPM软件中的设计流程如图1所示。

图1 设计流程图

1.2 确定附加阻尼比

附加阻尼比作为阻尼器在消能减震结构中发挥作用的评判指标，决定了阻尼器在地震作用下耗散地震作用的能力。常规设计是基于振型分解反应谱法进行消能减震结构的配筋设计，其关键在于确定耗能装置附加给结构的阻尼比。消能减震结构技术规程给出了基于振型分解反应谱法的具体迭代算法，尽管附加阻尼比可通过弹塑时程分析方法得到，但是通常比较耗费时间，因此‘规范’方法更加具有可行性。PKPM软件已经内置了规范进行迭代计算附加阻尼比的程序，可方便计算出消能减震结构附加阻尼比。

1.3 结构模型及减震目标

本工程为云南地区某小学，结构类型为钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度按8度设计，分组为1组，实际基本加速度值为0.2g，多遇地震下αmax=0.16，罕遇地震αmax=0.9，建筑场地土地类别为Ⅲ类，特征周期Tg=0.45s。阻尼器的布置需要与建筑的功能相匹配，本案例在结构中布置了40个粘滞阻尼器，X向与Y向均布置20个，其阻尼指数均为0.2，阻尼系数为150kN·（s/m）0.2之间，行程均为40mm。

本工程在不同地震作用下的减震目标见表1。

图2 模型

表1 减震目标

2 消能减震结构动力分析

2.1 地震波评价

地震记录选取需要计算无消能器模型的结构底部剪力，其需要满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）规定，即通过时程分析计算的基底剪力需要超过振型分解反应谱法结果的65%，均值大于80%的要求，否则应重新选择地震波。本案例选取一条人工波与两条天然波，其加速度反应谱如图3所示。通过对比分析（见表2），结构在X向和Y向在时程分析中的基底剪力均满足规范要求，可以用于工程设计。

表2 多遇地震基底剪力对比

图3 三条地震波与设计反应谱对比图

2.2 多遇地震响应分析

结构在多遇地震作用下的层间位移分布能够反映结构附加阻尼器后抗震性能的提升，通过设置合适的粘滞阻尼器数量及参数，结构在多遇地震作用下的层间位移均小于规范要求的1/550，满足小震性能要求（见表3）。结构在多遇地震下的附加阻尼比分别为5.4%与4.2%，均在规范规定的25%范围内，属于合理范围。

表3 多遇地震层间位移分布

3 罕遇地震位移验算

通过弹性分析计算结构附加阻尼比，对结构采用小震振型反应谱法进行设计配筋，对配筋后的结构进行大震弹塑性分析。表4为X向与Y向罕遇地震下层间位移角均值的结果对比。由表4可见，非减震结构无论在X向还是Y向均出现层间位移角大于1/50的情况，超出抗震规范限值，结构附加阻尼器后，最大层间位移角均得到改善，均符合规范要求，满足工程设计的抗震性能目标。如图4所示，结构平均层间位移分布显示下部小上部大，即结构上部先于下部达到位移限值。

表4 罕遇地震层间位移角对比

图4 层间位移角分布

4 结论

⑴借助PKPM结构分析软件，给出了附加粘滞阻尼器结构的设计流程，方便工程人员借鉴使用；

⑵通过附加粘滞阻尼器，X向与Y向分别附加了5.4%和4.2%的附加阻尼比，结构在多遇地震作用下层间位移角小于规范限值，但是结构的层间位移分布显现上大下小，表示结构刚度分布不够均匀。