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(太原市聚川都市建筑工程設計有限公司，山西 太原 030024)

引言

在消能減震結構中，阻尼裝置在主體結構進入耗能狀態(tài)前率先進入耗能工作狀態(tài)，耗散了大量輸入結構體系的地震、風振能量，使主體結構的地震反應大大減少，從而有效地保護了主體結構，避免使其受到損壞。

消能器種類繁多，大體可分為位移相關型和速度相關型兩種。位移相關型消能器的耗能與其自身變形和相對滑動位移有關，常見的有金屬屈服消能器和摩擦消能器。速度相關型消能器的阻尼特性與加載頻率有關，常用的有黏滯消能器和黏彈性消能器。本文將針對黏滯消能器在工程中的設計過程進行闡述。

1 工程概況

某工程為太原市某雙語幼兒園，位于尖草坪區(qū)，北臨北中環(huán)、東臨北澗河、西側為山西某學院、南側為勝利街。該工程為框架結構，地上三層，地下二層，地上建筑總高度為13.34 m。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)和工程地質檢測結果，擬定工程抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.2g，建筑物場土類別為Ⅲ類；工程抗震等級為一級。

2 減震方案選取

該工程主體結構計算采用北京某軟件股份有限公司開發(fā)的YJK軟件進行。經計算，該結構X方向上地震作用下的最大樓層位移角為1/579，Y方向上地震作用下的最大樓層位移角為1/513。樓層Y方向位移角大于《建筑抗震設計規(guī)范》第5.5.1條規(guī)定的最大要求1/550。因此，該工程結構必須采取相應措施。同時，根據(jù)2014年《山西省住房和城鄉(xiāng)建設廳關于積極推進建筑工程減隔震技術應用的通知》(晉建質字〔2014〕115號)的要求，該工程必須采用減震技術?？紤]到施工的易操作性和減震技術產生的費用，該工程優(yōu)先考慮采用減震技術。由于該工程Y方向上地震作用下的最大樓層位移角為1/513，只要略微增加結構的阻尼比或剛度便可滿足規(guī)范的要求。該工程初步考慮用黏滯消能器增加結構阻尼比，共設消能器八組，其中一、二層各四組，X方向上兩組，Y方向上兩組。單個消能器的最大阻尼力為400 kN，具體布置位置如圖1所示(圖中VFD為消能器)。

圖1 粘滯阻尼器布置圖

3 動力分析采用地震波的選取

在不同地震波的作用下，黏滯消能器耗能不同，因此，不同地震波作用下結構的附加阻尼比也不一樣。該工程根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)中5.1.2條規(guī)定，選取三條地震波(天然波N0 675、N0 737、人工波R 33)進行計算。彈性時程分析結果與YJK振型分解反應譜分析結果對比見表1，比例為各個時程分析與振型分解反應譜法得到的結構基底剪力之比。

表1 時程分析基底剪力

表1數(shù)據(jù)符合GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)中5.1.2條規(guī)定，故地震波選取正確。

4 彈性時程分析

該項目采用ETABS(v9.7.4)對結構進行多遇地震下的動力特性分析。將建立好的ETABS模型與YJK模型進行質量、周期及基底剪力的對比，具體見表2。

表2 ETABS模型與YJK模型對比

結果表明，所建立的ETABS模型是正確的。

5 附加阻尼比的確定

5.1 根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》計算阻尼比

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)中12.3.4條規(guī)定，消能部件附加給結構的有效阻尼比，可按下列方法確定。

消能部件附加給結構的有效阻尼比可按(1)式估算：

(1)

不計及扭轉影響時，消能減震結構在水平地震作用下的總應變能，可按(2)式估算：

Ws=(1/2)∑Fiui

(2)

5.2 根據(jù)《建筑消能減震技術規(guī)程》計算阻尼比

根據(jù)《建筑消能減震技術規(guī)程》(JGJ 297—2013)的6.3.2條第5款規(guī)定，非線性黏滯消能器在水平地震作用下往復循環(huán)一周所消耗的能量，可按(3)式計算：

Wcj=λ1Fdjmax△uj

(3)

5.3 附加阻尼比的計算結果

附加阻尼比的計算結果見表3。

表3 附加阻尼比的計算結果

根據(jù)表3計算結果分析，結構附加阻尼比最小值為7.91%，根據(jù)DB JT 04—39—2015《建筑消能減震設計構造》(晉14G08)取折減系數(shù)為0.7，最終取值為5.0%

6 多遇地震下消能器性能分析

分別選取X、Y方向的消能器，可繪制其滯回曲線。因黏滯消能器形成飽滿的滯回曲線，在多遇地震下是結構耗能的主要構件。因此推斷多遇地震下黏滯消能器能夠很好地發(fā)揮消能減震的作用，能夠為結構提供5%的附加阻尼比，是多遇地震時結構的主要耗能構件。

7 彈塑性時程分析

7.1 確定性能目標

構件的性能標準為離散的三個性能點，立即使用、生命安全和防止倒塌。立即使用是指地震后不間斷運行，稍加修理后可立即使用；生命安全是指地震后間斷運行，經適當修理后可以繼續(xù)使用；防止倒塌是指地震時嚴重破壞，但仍未倒塌，地震后幾乎不能繼續(xù)使用。以我國現(xiàn)行相關規(guī)范為基礎，參照ASCE 41—13性能水準，制定了具體的性能目標，見表4。

表4 構件性能目標

7.2 分析模型

該工程使用PERFORM-3D軟件對其進行大震性能評估。PERFORM-3D的鋼筋或鋼材本構關系有理想彈塑性模型和雙線性隨動強化模型兩種，該工程的鋼筋或鋼材采用隨動強化模型?；炷敛豢紤]其受拉作用，受壓采用Mander模型，以考慮箍筋對混凝土的約束作用，對其強度及延性的提高作用。樓板假定采用剛性樓板，其中梁、柱均采用集中塑性鉸模型，梁采用M鉸，柱采用PMM鉸。消能子結構的梁和柱的彎曲與剪切破壞均采用強度截面進行校核，其中梁采用彎矩和剪力強度截面，柱采用PMM和V強度截面。

該工程選用兩條天然波和一條人工波，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(2016年版)提供的大震加速度峰值為0.40g，X方向和Y方向分量之比調整后分別沿建筑物兩個主軸各輸入一次，進行時程分析。

7.3 分析結果

7.3.1 整體地震反應評估

根據(jù)計算分析在罕遇地震作用下，結構頂部X方向最大位移為0.086 m；Y方向最大位移為0.090 m，結構X方向最大層間位移角為1/133；Y方向最大層間位移角為1/116。最大彈塑性層間位移角均小于《建筑抗震設計規(guī)范》的限值1/50，滿足大震不倒的抗震設防要求。在罕遇地震作用下，結構X方向最大基底剪力為9 414 kN；Y方向最大基底剪力為9 772 kN。X方向最大基底傾覆力矩為77 977 kN·m；Y方向最大基底傾覆力矩為79 121 kN·m。上述結果說明，結構在罕遇地震作用下已有構件產生塑性變形，結構整體承載力及剛度有所下降，但仍具有一定的剛度和承載能力，保持在大震中不倒。

7.3.2 構件性能評估

框架梁：最大的塑性變形處于有限控制性能段，小于CP性能點。

框架柱：最大的塑性變形處于破壞控制性能段，小于LS性能點。

黏滯消能器：X方向和Y方向黏滯消能器的最大變形均<50 mm，小于其設計位移；最大阻尼力均<400 kN，小于其設計最大阻尼力，在罕遇地震作用下，黏滯消能器仍能夠正常工作，發(fā)揮耗散能量的作用。

子結構：子結構梁和柱的大震性能目標為滿足極限承載力要求，計算彎曲和壓彎承載力時，材料強度采用極限值；計算剪切承載力時，材料強度采用標準值。通過計算分析得出，子結構梁的彎曲應力比以及子結構柱的壓彎應力比均<1，最大剪力小于受剪承載力，滿足大震極限承載力要求。

8 結語

采用減震技術前后結構的技術指標計算結果見表5。

表5 減震前后計算指標及結果對比

通過對結構的整體模型進行彈性和彈塑性時程分析，采用不同地震波分析了結構在X方向和Y方向地震輸入時結構的抗震性能。得出以下結論：

8.1 小震作用下，結構主體呈彈性，黏滯消能器開始耗能為結構貢獻附加阻尼比。罕遇地震作用下構件開始進入塑性，框架梁優(yōu)先出現(xiàn)梁鉸，而后柱子出現(xiàn)柱鉸，結構總體滿足強柱弱梁的要求。

8.2 結構在大震作用下，只有部分構件進入塑性，出現(xiàn)塑性鉸；表明結構附設了黏滯消能器后，具有良好的抗震耗能機制，保證了建筑結構的安全，達到預期目標。

8.3 罕遇地震作用下，各黏滯消能器發(fā)揮了良好的耗能能力，為結構主體提供了良好的安全保證。

8.4 采用減震技術后結構的鋼筋含量明顯減少，因此采用減震技術有一定經濟性。