对西藏某建筑进行粘滞阻尼墙减震的分析研究*

蔡新宇 李莉斯 孙威宇 高月存

（西藏大学，西藏 拉萨 850000）

西藏是我国地震多发区之一，几乎每月都有不同程度的地震在西藏地区发生，偶尔有5级以上地震。西藏自治区位于欧亚板块和印度洋板块碰撞带，地质构造复杂，地震活动强烈，给人民生命财产安全带来了巨大的威胁和危害。1950年以来在西藏发生7 级以上的地震共计5次。近年来，西藏地震活动强度和频度都有增强趋势，2000年至今，西藏共发生5级以上地震38次，其中6级以上地震5次，造成上亿元的经济损失。未来一段时间西藏境内仍有发生7级以上地震的可能性。

因此减隔震技术在西藏拉萨地区的应用对提高建筑物安全性、可靠性、耐久性、具有必要的现实意义。[1]

1 工程基本情况

1.1 建筑情况

本项目单体位于拉萨市，功能主要为幼儿园教学楼。建筑平面图如图1所示，该建筑共3层（局部存在突出屋面楼梯间），结构形式为钢筋混凝土框架结构，建筑高度为12.20m。房屋抗震设防烈度为8度（0.3g），场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.55s，框架抗震等级为一级，结构周期折减系数为0.75，结构固有阻尼比为0.05，消能支撑目标附加阻尼比为3%。

图1 建筑物平面图

1.2 本结构抗震思路

1.2.1 构造方面

以强柱弱梁、强剪弱弯的原则贯穿本设计及以后的施工图设计，提高结构抗震的性能。

1.2.2 采取措施

由于本工程为乙类建筑，钢筋混凝土框架结构采用消能减震设计，抗震等级框架为一级，其抗震构造措施均按规范要求执行，楼梯部分配筋和连接均按规范要求进行加强。消能减震结构是将消能部件（本工程采用粘滞阻尼墙）布置在填充墙的位置，所以只需要加强与之相连的框架梁、柱，不会影响和改变任何建筑功能。

2 房屋消能减震设计

2.1 减震方案的选取

考虑到房屋基本周期与场地特征周期较为接近，刚度型的消能支撑会为结构带来更多的地震作用，因此本工程选用无静刚度的粘滞消能支撑。通过粘滞消能支撑附加阻尼作用降低主体结构分担的地震作用。

2.2 ETABS分析模型验证

结合房屋主体结构（ST0）基本信息，建立ETABS分析模型。为验证该模型的准确性，将ETABS模型和PKPM模型计算所得的质量、自振周期进行对比，结果见表1、表2、表3，表中误差的计算算法为：误差=( |PKPM-ETABS|/PKPM )×100%

表1 STO模型质量对比

表2 STO模型自振周期对比表2STO模型自振周期对比

表3 STO结构小震作用下层间剪力对比（kN）

由表1、表2和表3可以得出，原结构ETABS模型与PKPM模型在结构质量、计算周期和楼层剪力等方面差异均较小，故可以认为，ETABS模型作为本工程消能减震分析的有限元模型是相对准确的，且能较为真实地反映结构的基本特性。

2.3 选取地震波

根据抗规要求，本工程在8度（0.3g）下实际选取了2条天然地震波和1条人工波，见图2、图3、图4。[2]

图2 人工波1GR1

图3 天然波1TR1

图4 天然波2TR2

2.4 减震阻尼器配置方案

本工程采用粘滞消能支撑消能方案。根据房屋结构实际情况，结合实际建筑允许的支撑布置位置，布置粘滞消能支撑。部分消能支撑平面及立面布置图见图5、图6，消能器主要力学参数见表4。

图6 粘滞消能支撑立面布置图

表4 阻尼墙参数

图5 一层消能支撑布置示意图

3 消能减震效果分析

为描述简单，约定：R0为原结构（ST0）楼层层间位移角；R1为减震结构（ST1）楼层层间位移角；Q0为原结构（ST0）楼层层间剪力；Q1为减震结构（ST1）楼层层间剪力。

3.1 小震下R与Q效果分析

在8度(0.3g)小震作用下，对ST0结构和ST1结构分别输入三条地震时程相关技术按结果见表5和表6，间位移角计算结果表明，在8度（0.3g）小震作用下，ST1结构层间位移角满足《建筑抗震设计规范》关于钢筋混凝土框架结构层间位移角限值要求，且明显小于ST0结构；层间剪力计算结果表明，ST1结构各减震楼层在8度（0.30g）小震时程作用下的层间剪力相比于原结构均有减小，可见消能支撑在多遇地震作用下已承担了部分地震作用，起到了较好的减震效果。[3]

表5 8度（0.3g）小震作用下结构层间位移角计算对比结果（平均值）

表6 8度（0.3g）小震作用下结构层间剪力计算平均结果值对比

3.2 计算等效阻尼比

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（以下简称《抗规》）的第12.3.4条：消能部件附加给结构的有效阻尼比，可按规范中的（12.3.4-1）、（12.3.4-2）计算，规范法计算得到的消能支撑小震提供附加等效阻尼比，附加黏滞阻尼器消能支撑小震下可提供X向2.31%和Y向7.28%附加阻尼比。考虑到消能器性能偏差、连接安装缺陷等的不利影响，规范要求在计算附加阻尼比时应留有一定的安全储备，因此建筑物在进行主体结构设计时，可取附加阻尼比为2%。

3.3 典型消能器滞回曲线

在结构第1层X向和Y向布置的黏滞阻尼器中，各选取了1个，以其在8度（0.3g）小震作用下的滞回曲线作为代表，来查验阻尼器的耗能情况，得到的图像中如果阻尼器在小震作用下的滞回曲线均比较饱满，则各消能支撑在地震作用下发挥了应有的耗能作用。

4 罕遇地震作用下的消能减震结构弹塑性分析

4.1 罕见地震输入

本工程选用上面的人工波1、自然波2、自然波3，三条地震波分别对ST0结构和ST1结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析。对ST0和ST1结构分别在人工波1、自然波2、自然波地震波下进行罕遇地震弹塑性时程分析。

4.2 输入地震波得到的结果

由对比分析可知，通过增设消能支撑，较大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主体结构的塑性损伤，显著改善了结构的整体抗震性能。详情见表7、表8、表9、表10。

表7 X向罕遇地震作用下STO结构层间位移角

表8 Y向罕遇地震作用下STO结构层间位移角

表9 X向罕遇地震作用下ST1结构层间位移角

表10 Y向罕遇地震作用下ST1结构层间位移角

5 结语

本工程使用ETABS软件分别对ST0结构和ST1结构在8度（0.3g）多遇地震作用下进行时程分析，并对结构反应进行了对比；采用SAUSAGE软件对ST0结构和ST1结构在罕遇地震作用下的结构性能状态进行了对比分析。具体结论如下：

（1）在多遇地震作用下，ST1结构的地震响应相较于ST0结构已有一定的降低，消能支撑在多遇地震作用下已承担了部分地震作用，起到了较好的减震效果。本工程建议小震下消能支撑附加阻尼比为2%。

（2）通过罕遇地震下的对比分析，增设消能支撑后，较大程度上降低了罕遇地震作用下房屋主体结构的塑性损伤，显著改善了结构的整体抗震性能；ST1结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角明显小于ST0结构，且满足1/50的限值要求，满足“大震不倒”的要求。

（3）所有罕遇地震时程作用下，框架梁、柱均有塑性铰出现，且梁铰先于柱铰出现，满足结构强柱弱梁的要求。

（4）子结构作为重要构件应予以加强，建议对子结构梁、柱全长箍筋加密。同时，墙式消能支撑对应位置框架梁顶、梁底纵筋应通长设置。

综合上述分析可知，本工程采用消能支撑后，房屋总体抗震能力相较于原结构有了较大的提升，房屋具有了良好的抗震耗能机制，提高了结构主体的抗震安全性。