粘滞阻尼器在校舍框架结构抗震加固中的应用

粘滞阻尼器在校舍框架结构抗震加固中的应用

王晓东

天津海航建筑设计有限公司天津市300162

摘要：本文介绍了非线性粘弹性阻尼器的性能特点及消能减震原理。并以实际抗震加固工程为例对粘滞阻尼器、屈曲约束支撑及传统加固方法的特点进行了对比，并对粘滞阻尼器的设计流程及方法进行了阐述和探讨。

关键词：非线性粘滞阻尼器；消能减震；抗震加固

一、前言

非线性粘滞流体阻尼器是利用粘弹性材料应变滞后于应力的阻尼特性制成的阻力器。粘弹性阻尼器及消能支撑是一种基本上与位移相关的被动减震装置，可减小建筑物对风及地震的振动反应。与其他类型增加结构刚度的阻尼器不同，它不会增加原结构的抗侧刚度，具有安装简便、经济、具有良好的消能减震性能等优点。本文介绍了非线性粘滞流体阻尼器的性能特点及消能减震原理。在此基础上，以非线性粘滞流体阻尼器在某框架结构抗震加固设计中的应用为例对粘滞阻尼器、屈曲约束支撑及传统加固方法的特点进行了对比，并对粘滞阻尼器的设计流程及方法进行了阐述，并由此进一步探讨了消能减震结构的抗震设计方法和步骤。

二、工程概述

某学校位于地震多发区，结构设计合理使用年限50年，建筑结构安全等级二级。原设计未进行抗震设计。为由于该建筑使用已久，使用功能多次变更。在相当大区域范围内，无法对部分梁柱进行加固。综上所述，由于存在无法按传统方法加固的区域，并且按照传统方法加固工程量大，工期长，难以满足建设方需要，故必须寻求既能满足建筑物抗震要求，又尽量能减少结构加固量的加固设计方法。采用消能减震措施不失为一种很好的思路。目前在古建筑保护(有保护原貌要求)以及中小学教舍改造方面，消能减震设计方法得到了广泛的应用，该方法的主要思路是通过消减地震作用来大大减少地震产生的层间位移，从而降低了结构的构造要求，减少原结构的加固工作。一般认为在罕遇地震作用下，结构最大层间位移小于规范限值的1/2(规范限值为1/50)时，可以达到降低原结构构造要求。

三、粘滞阻尼器设计原理

以上公式表明粘滞阻尼器不提供刚度,其阻尼力仅与速度有关,此外,还有一个重要的参数———行程,单位mm。这影响阻尼器中心距的大小。确定某一型号的阻尼器的性能以及外形至少需要知道阻尼力,阻尼系数,速度,阻尼指数这其中的三个参数和行程。这些都是通过有限元软件分析由设计人员提供的,结构中使用阻尼器的优点是提高结构的抗震性能;大幅度减小结构的层间位移和基底剪力;设计合理可以降低结构的综合造价;安装简单易行;在结构的加固过程中基本不影响其正常使用,因此只要设计单位能提供原结构的计算模型及要求,均可根据计算确定阻尼器的数量和相关参数。

3.2粘滞阻尼器是被动控制技术

粘滞阻尼器安装于结构的某一部位,当地震作用较小时阻尼器具有足够的初始刚度,处于弹性状态,结构体系具有足够的抗侧向刚度,能满足结构正常使用要求。当出现中、大地震时,随着结构侧向变形的增大,阻尼器进入弹塑性状态,并且迅速衰减结构的位移、速度、加速度等动力反应,从而确保主体结构在强地震作用下的安全使用。

四、在本工程中的应用

4.1粘滞流体阻尼器与屈曲约束支撑设计方案

根据本工程的基本情况，可以考虑的消能减震措施有粘滞流体阻尼器和屈曲约束支撑阻尼器两种方法。屈曲约束支撑(BRB)是一种兼具普通支撑和金属阻尼器双重功能的新型支撑形式，由支撑内芯(由软钢制成)、外围约束构件组成。在地震或风力作用下，通过软钢发生塑性屈服滞回变形耗散输入结构中的能量来提供结构阻尼。主要是通过屈曲约束支撑抵抗水平力，使得梁柱在地震作用后仍然处于弹性状态，具有继续承担竖向荷载作用的能力。通过计算，屈曲约束支撑对结构的刚度做出了很大的贡献，使得结构的位移比有了大幅度的减少。从计算结果可以看出框架梁受力较小，但底层框架柱承担的楼层剪力较大，且与支撑相邻的框架柱会承受较大由于支撑引起的附加轴力以及弯矩，在此弯矩轴力共同作用下，框架柱柱脚会产生屈服。无法解决本工程中底层部分区域无法加固的问题。虽然设置了屈曲约束支撑的框架加固量有所减少，但是增加了未设置支撑区域的加固量，工程的总加固量未减少。粘滞流体阻尼器由缸筒、活塞、阻尼孔、阻尼材料和导杆组成，缸体内采用甲基硅汕作为阻尼材料。其在结构中的安装形式分为水平人字式(如图2)及斜撑式(如图3)。

图

当结构受到风或地震等外荷载冲击振动时，靠阻尼器与框架连接节点中的左球铰链座带动活塞杆往复运动使得阻尼介质在以活塞为分隔的两个腔体之间迅速流动。在此过程中阻尼介质的分子之间、介质与活塞杆、介质与缸体壁之间产生剧烈的摩擦，介质在通过活塞时则产生巨大的节流阻尼，这些作用力产生的合力称之为阻尼力。阻尼力在活塞中的往复运动使得外载的机械能转换为介质的内能，以热量的形式散发，从而消耗输入的外载振动能量。阻尼力与活塞杆往复运动行程形成的曲线,称为滞回环曲线,粘滞阻尼器的阻尼指数越小,则曲线越饱满,消耗外载冲击能量的效率越高。

五、注意事项

（1）与阻尼器设备相连的梁柱的抗震等级需提高一级,以保证此部位最后进入塑性。（2）需考虑结构的地震力可以传递给阻尼器,则运用PKPM设计时结构应满足刚性隔板假定。（3）阻尼器的输出力是单方向的,需在垂直输出力方向设置限位装置。

六、结语

通过上述的具体实例我们了解了粘滞阻尼器在框架结构抗震加固中的实际应用。对类似工程抗震加固具有一定的参考价值。目前情况粘滞阻尼器已经在建筑、桥梁、工业、能源、军工等许多领域得以成功的应用,未来它将继续发挥着其抗风、抗震、增加阻尼比、减震、保护结构本身或者结构内部附属结构、重要设备的功能。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]张敏.建筑结构抗震分析与减震控制[M].成都:西南交通大学出版社,