黏滞消能器在八度区某框剪结构中的应用

陈高源

摘 要：在位于高烈度地区的某框剪结构新建医院中设置黏滞阻尼器进行减震设计，并对该结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算，以保证发生本区域设防地震时不会丧失使用功能。采用建筑结构有限元分析软件ETABS分别对抗震结构和消能减震结构，将根据规范选取的三条地震波沿主轴方向双向输入，进行8度大震作用下的动力非线性时程分析。通过对比最不利工况下两种结构的计算结果，表明黏滞阻尼器能显著减小该建筑的基底剪力、层间位移角和主要受力构件的开裂破坏。阻尼器耗能在总非线性耗能中占比30%，且在罕遇地震下提供给结构的附加有效阻尼比达到2.6%。消能装置有效保护主体结构的安全，提高其抗震性能，保证该医疗建筑震后能正常使用。

关键词：动力时程分析;非线性耗能;附加阻尼比

中图分类号：TU352     文献标识码：A     文章编号：1003-5168（2021）36-0056-03

Application of Viscous Damper in a Frame Shear Structure in Octave Region

CHEN Gaoyuan

（School of Civil Engineering and Communication，North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Viscous dampers were set up in a new frame-shear wall hospital located in high intensity area to carry out shock absorption design， and the elastic-plastic deformation of the structure under the action of rare earthquake was checked to ensure that the function of this area would not be lost in the event of earthquake. Using the finite element analysis software ETABS for building structures， the three seismic waves selected according to the code are input along the principal axis in two directions， and the dynamic nonlinear time history analysis under the action of 8 degree earthquake is carried out. By comparing the calculation results of the two structures under the most unfavorable conditions， it is shown that the viscous damper can significantly reduce the base shear， inter-story displacement angle and the cracking failure of the main stressed members of the building. The energy dissipation of the damper accounts for 30% of the total nonlinear energy dissipation， and the additional effective damping ratio provided to the structure under rare earthquakes is up to 2.6%. The energy dissipation device can effectively protect the safety of the main structure， improve its seismic performance， and ensure the normal use of the medical building after earthquake.

Keywords： dynamic time history analysis; nonlinear energy dissipation ; additional damping ratio

住建部和國家质量监督检验检疫总局颁布的《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）将城镇医院、防灾应急指挥中心、疾病预防与控制中心等防灾救灾建筑的抗震设防类别提高为重点设防类[1]。目前，消能减震设计在新建建筑和既有建筑加固改造中的应用呈上升趋势，住房和城乡建设部颁布行业标准《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）[2]，中国工程建设标准化协会颁布行业标准《消能减震加固技术规程》（T/CECS 547—2018）[3]。目前，国内也有一些消能减震技术的实际应用。李英民等[4]以某框架结构的医院为例，介绍了基于性能的抗震设计方法和黏滞阻尼器在抗震设防类别提高已建结构抗震加固中的应用。杨洋[5]在某医疗建筑中采用消能减震设计方案，不仅满足了抗震构造要求，还节省了承重构件的材料用量。张立成等[6]介绍了新型黏滞阻尼墙（VFW）具有同时满足建筑使用功能和增大阻尼力的优势，并以减小层间位移角为目标布置阻尼墙，对减震模型和附加阻尼比模型进行时程分析，对比两者计算出的楼层剪力吻合程度来确定保守的附加阻尼比，并将该阻尼比用于反应谱分析进行抗震设计。

1 工程概况

某医院建筑位于8度设防区，开间123.6 m，进深30.6 m，地上九层，总高度37.2 m，地上建筑面积28 340 m2。属于重点设防类建筑，需要按9度加强抗震构造措施，框架和剪力墙的抗震等级均为一级。本建筑采用消能减震设计，以满足其作为防灾救灾建筑的要求。

根据《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）[2]6.2.1节中对消能器布置规则的要求，黏滞阻尼器宜连续布置，防止个别层刚度突变，出现薄弱层。在地上主体结构平面主轴X、Y方向分别对称布置10组阻尼器，每层共计20组，共180组。本文通过对该框剪结构进行弹塑性时程分析，研究减震结构的性能优势。

2 计算分析模型和结构动力特性

2.1 构件有限元模型

黏滞消能器是一种速度型消能器，其受力的基本表达式为：

[Fdt=C0·uat]      （1）

式中，Fd（t）为阻尼器抗力;C0为零频率时线性阻尼常数;u1（t）为阻尼器活塞的相对运动速率;α为阻尼指数，常取0～1[7]。

本工程选用华中建科工程科技有限公司生产的VFD-350*30E型黏滞阻尼器。阻尼器采用人字形钢支撑连接形式。

2.2 结构的动力特性

减震结构和非减震结构模型的前6阶模态及其振型特征如表1所示。通过对比可知，加入黏滞阻尼器后，结构的第一周期略增加5%，这是因为人字形钢管砼支撑和阻尼器自身的重量增大了结构自重，使结构的自振频率减小。两种结构其余五阶周期基本相同，说明布置黏滞阻尼器没有增加结构的刚度，没有改变结构的振动特性。减震结构模型中以扭转为主的第一自振周期Tt（0.538 s）与平动为主的第一自振周期T1（0.650 s）之比为0.83，小于A级建筑0.9的限值，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）[7]3.4.5条第2款中的要求，结构具有必要的抗扭刚度。

3 地震波的选择与输入

本文选取的地震波来自SATWE，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[8]（以下简称《抗规》）5.1.2.3条的规定，选取两条天然波和一条人工波。每条波均采用双向输入，水平地震作用按先后输入的次序将地震波的加速度峰值调整为1∶0.85。本文只研究天然波对应的地震工况TH065-XY。8度（0.2 g）罕遇地震下加速度有效峰值取为400 cm/s2。根据《抗规》5.1.2条规定，输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间应大于min（15 s，5T1）=15 s，本建筑有效持续时间设为26 s，框剪结构阻尼比5%。采用HHT-α法进行非线性时程分析，数值阻尼α取-0.02，计算步长取0.02 s。

4 工况TH065-XY作用减震结构与抗震结构对比

4.1 变形和内力

两种结构X方向最大层间位移角包络曲线和基底剪力时程曲线分别如图1和图2所示。对比可知，减震结构和抗震结构的柱子和剪力墙的最大层间位移角分别为1/234和1/167。减震结构比抗震结构的层间位移角平均值减小28%，基底剪力平均值减小74%，两种结构的层间位移角最大值均满足1/100的限值要求。计算结果表明，黏滞阻尼器能显著减小结构在地震作用下的变形和内力。

4.2 累计耗能和承重构件损伤状态

通过ETABS统计得到罕遇地震下两种结构的总能量组分对比表，如表2所示。对比可知，减震结构的总输入能量略增大7.7%，但黏滞阻尼器耗能在结构整体总输入能量中占比达19.6%。减震结构中阻尼器滞回耗能占整体非线性耗能的30.6%，使框架梁、柱和剪力墙等承重构件的滞回耗能下降22%，减少其开裂破坏，说明黏滞阻尼器能率先耗散掉输入结构的大部分地震能量，从而保证主体结构安全。

4.3 能量法计算附加阻尼比

根据《建筑消能减震及隔震技术标准》（DG∕T J08-2326—2020）[9]6.3.2条第2项，时程累计耗能比法计算消能部件附加给结构的有效阻尼比的公式为：

[ξd=ξdtmax=η2ξ0×EdtEctmax]    （2）

式中，ξd（t）max为消能减震结构附加有效阻尼比时程最大值;η2为有效阻尼比折减系数，一般取0.9;ξ0为减震结构固有模态阻尼比;Ed（t）为消能器累计耗能时程;Ec（t）为减震主体结构固有模态阻尼累计耗能时程[9]。

根据本建筑非线性时程分析得：Ed（t）=22 330 kN·m，Ec（t）= 38 257 kN·m，ξ0=5%，计算出的附加有效阻尼比ξd=2.6%。

在减震结构层间位移角最大的楼层（第4层）沿着其X方向选择一个典型的黏滞阻尼器，显示其滞回曲线，如图3所示。图3中显示该阻尼器的出力达到340 kN左右，接近该阻尼器的最大阻力350 kN，阻尼器最大轴向变形达到29 mm，没有超过容许变形30 mm。滞回曲线呈饱满的回字形，说明阻尼器非线性耗能显著。

5 结语

在对某框剪结构分别进行消能减震设计和普通抗震设计的情况下，进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，对比计算结果得出以下结论：增设黏滞消能器没有改变结构的动力特性，即没有增加结构的刚度;减震结构基底剪力和层间位移角均较非减震结构显著减小;从能量角度来看，阻尼器滞回曲线饱满，耗能明显，阻尼器非线性耗能占结构整体总非线性耗能的30%，有效減少受力构件的塑性屈服;罕遇地震下阻尼器能为结构提供2.6%的附加阻尼比。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑工程抗震设防分类标准：GB 50223—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑消能减震技术规程：JGJ 297—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3] 中国工程建设标准化协会.消能减震加固技术规程：T/CECS 547—2018[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[4] 李英民，刘建伟，周自强.基于性能的抗震加固方法在框架结构中的应用[J].建筑结构，2012（7）：88-92.

[5] 杨洋.大爱健康医疗中心消能减震方案分析与设计研究[J].建筑结构，2017（S1）：600-603.

[6] 张立成，郭泽文，孙江波，等.新型黏滞阻尼墙在某框架—剪力墙结构中的应用[J].建筑结构，2016（16）：63-67.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[9] 上海市住房和城乡建设部.建筑消能减震及隔震技术标准：DG∕T J08-2326—2020[S].上海：同济大学出版社，2020.