浅谈粘滞阻尼器在框剪结构中的应用

王文喆

（乌鲁木齐建筑设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000 ）

摘要：新疆维吾尔自治区阿勒泰地区富蕴县人民医院急诊和医技综合楼建设项目位于高烈度区，按照常规框剪结构进行设计时，为满足规范要求多遇地震下结构截面尺寸过大。设置粘滞阻尼器后，采用YJK及SAUSAGE结构设计软件进行结构弹塑性分析，发现设置粘滞阻尼器能提高结构抗震性能，并优化结构截面尺寸。

关键词：粘滞阻尼器、框剪结构、阻尼比

黏滞流体消能阻尼器是由缸体、活塞、黏滞材料等部分组成，利用黏滞材料

运动时产生黏滞阻尼耗散能量的一种速度相关型消能阻尼器。黏滞消能阻尼器能提供较大的阻尼，因而可以有效地减小结构的振动，同时当结构变形最大时，消能阻尼器的控制力为零，从而使结构的受力更加合理；此外由于黏滞流体消能阻尼器不提供附加的刚度，不会因为安装消能阻尼器而改变结构的自振周期从而增加地震作用；同时其受激励频率和温度的影响较小。这些优点表明，黏滞流体消能阻尼器在结 则是在结构的抗震和抗风控制中有者广阔的应用前景。

1.工程概况

本工程位于新疆维吾尔自治区阿勒泰地区富蕴县，采用框架-剪力墙结构形式，楼层数为地下1层，地上7层，建筑结构高度30.9m，宽23.4m。建筑面积为13940.7㎡，其中地上面积12732.1㎡；工程设计使用年限为50年，属于重点设防类，乙类建筑。

2.设计条件

抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度峰值为0.20g，设计地震分组第三组，Ⅱ类场地， 场地特征周期0.45s。本工程采用减震方案，在地上3到7层布置40套黏滞阻尼器，设置黏滞阻尼器能有效提高结构在多遇、设防地震作用下的安全储备，实现相关减震设计目标，保证其在使用荷载作用下的正常使用性能。

3.结构分析

3.1多遇地震下反应谱分析

为了确保动力弹塑性分析模型的准确性，首先对SAUSAGE结构模型进行模态分析及多遇地震下的反应谱分析，并将其计算结果与YJK结果进行对比，如表1.1、表1.2及表1.3所示，其中表中差值为：(|SAUSAGE-YJK|/YJK)*100%。

表 1.1 结构质量对比 单位：Ton

表 1.2 结构周期对比(前三阶） 单位：s

表 1.3 结构基底剪力对比 单位：KN

通过上述对比，可以看到两个模型计算分析结果误差较小，说明SAUSAGE模型作为本工程消能减震分析的有限元模型是准确的，且能较为真实地反映结构的基本特性。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）5.1.2条规定：采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。从工程角度考虑，这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求。但计算结果也不能太大，每条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%。

本分析选取三条波进行时程分析，其中Rh（全称为ArtWave-RH4TG045）为人工波，Chi（全称为Chi-Chi, Taiwan-05_NO_2983）和Cha（全称为Chalfant Valley-02_NO_558）为天然波，3条波分析时间均取前20s。

经计算在多遇地震下，减震结构X向和Y向最大层间位移角分别为1/1939和1/1554，均没有超过目标限值1/800。消能减震后结构在多遇地震作用下的层间剪力和层间位移角明显优于原结构。消能减震结构主体框架部分的X、Y向层间剪力小于原结构的层间剪力，X、Y向各楼层的最大均值剪力比分别为0.81和0.77，这说明结构附加黏滞阻尼器减震之后的抗震性能获得大幅提高。

3.2罕遇地震下反应谱分析

对于罕遇地震的工况分析基于 SAUSAGE 2018 软件进行，模型框架梁、框架柱均采用SAUSAGE 软件提供的纤维模型，主要分析内容包括：罕遇地震作用下结构抗震性能的分析、罕遇地震作用下的位移角、罕遇地震作用下的阻尼器耗能滞回曲线及能量耗散图。

在罕遇地震下，减震结构X向最大层间位移角发生在地震波CHI作用下为1/211；Y向最大层间位移角在地震波CHI作用下为1/156，均没有超过目标限值1/110，满足规范要求。

粘滞阻尼器通过耗能来实现减小结构的地震响应，通过分析结构地震响应中耗能的组成成分，可以得出粘滞阻尼器是否在罕遇地震作用下很好地发挥作用。罕遇地震下能量耗散见下图。

图1 能量耗散示意图

选取减震结构第5层阻尼器为代表，X、Y方向各选取一个粘滞型阻尼器，获取阻尼器的耗能情况，如下图所示分别为粘滞阻尼器在Chi地震波下的耗能曲线。可以看出，粘滞阻尼器的滞回曲线较为饱满，说明粘滞阻尼器在中震下发挥作用，表现出较好的减震能力。

图2 滞回曲线示意图

4.结论

使用SAUSAGE对普通结构和减震结构在8度（0.2g）地震作用下进行反应谱分析和时程分析，分析了多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下结构的反应，通过对比分析表明结构采用消能减震设计方案具有良好的效果和独特的优势，主要体现在以下几个方面：

在结构第3层~7层共设置黏滞阻尼器40个，通过3条时程波的计算分析，得出设防地震作用下阻尼器所提供的等效附加阻尼比包络值为X向6.4%和Y向6.3%。实际按5%采纳。

2、原结构在8度多遇地震时，减震前时程分析在X、Y向的最大层位移角分别是1/1415、1/1070，设置黏滞阻尼器的消能减震结构在8度多遇地震时X、Y向的最大层间位移角则分别降低到1/2148、1/1817；与非减震结构对比，减震结构明显减小了结构变形。

3、在8度多遇地震作用下，消能减震结构主体框架部分的X、Y向层间剪力小于原结构的层间剪力，X、Y向各楼层的最大均值剪力比分别为0.81和0.77，这表明结构附加黏滞阻尼器减震设计后主体结构部分的抗震安全性大大提高，消能减震设计是可行有效的；

4、基于多遇、罕遇地震作用下原结构与消能减震结构地震响应的对比分析表明，结构采用黏滞阻尼器减震设计之后，较好地改善了原结构薄弱层的抗震性能；

5、结构中所附加的黏滞性阻尼器在罕遇地震作用下的出力最大为956.11kN，对应的最大位移为30.4mm；大部分粘滞阻尼器的滞回曲线较为饱满，说明粘滞阻尼器在地震下发挥作用，表现出较好的减震能力。

6、结构中所布置消能器（含黏滞阻尼器和屈曲约束支撑）的最大阻尼力在水平方向上分量之和不大于楼层层间屈服剪力的60%；

7、减震子结构梁柱均按罕遇地震作用下的内力进行配筋验算，保证了子结构的安全.

参考文献：

《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008）

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）（2015年版）

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版）

《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013