墙式黏滞阻尼器在某学校消能减震设计中的应用分析

墙式黏滞阻尼器在某学校消能减震设计中的应用分析

(基准方中建筑设计股份有限公司，四川成都 610015)

[摘要]：根据《四川省建设工程抗御地震灾害管理办法》及《建设工程抗震管理条例》要求，成都某中、小学校采用墙式黏滞阻尼器的消能减震设计。选取该小学单体5为例，采用框架结构,综合考虑建筑使用功能和结构抗震要求,在1~3层共布置18套黏滞阻尼器。建立未设置阻尼器和设置阻尼器两种结构模型,YJK5.2.1模型未建立阻尼器进行小震及等效中震包络设计,SAP2000(V24.0)建立阻尼器进行中震快速非线性时程分析法（FNA方法）减震分析，SAUSAGE(2022.2版)建立阻尼器进行大震弹塑性动力时程减震分析（修正的中心差分格式法）。最终结果表明,设置墙式黏滞阻尼器能显著降低结构的地震响应, 说明该结构设计合理，安全可靠；同时进行不同阻尼系数及阻尼指数情况下的附加阻尼对比。

[关键词] ：墙式粘滞阻尼器；消能减震；学校建筑

[中图分类号]： [文献标识码]：

墙式黏滞阻尼器在某学校消能减震设计中的应用分析

1.工程概况

本项目位于成都双流区，为学校建筑，其建筑功能包括教室、办公室、实验室、会议室、食堂、报告厅、篮球场，采用现浇混凝土框架结构（属于多层结构），根据建筑功能及平、立面特点，中学通过设置防震缝划分为6个结构单体，小学通过设置防震缝及钢连廊划分为6个结构单体。中学、小学结构平面布置如下图所示。

图 1‑1中学平面示意图图1‑2小学平面示意图

2.结构设计参数及体系

选取小学单体5为例进行消能减震分析，主要设计参数详表 2‑1。

小学单体5平面总长度约49.1m，宽度约26.0m；因首层层高4.8m大于其余楼层3.9m，在2层板面通过调整柱截面尺寸，将楼层的等效剪切刚度比值控制在规范要求的范围内。

本项目地基基础采用以中等风化泥岩作为基础持力层的旋挖灌注桩，旋挖灌注桩桩径800mm，单桩承载力为2100~2250KN，地下室范围桩长约为13~17m，无地下室范围桩长约为18~23m。

3.阻尼器方案及其布置

本项目阻尼器上下端通过混凝土悬臂墙板与上下楼层的框架梁连接，阻尼器左右两端保持自由，其左右两端与建筑隔墙之间设置≥100mm的缝，缝内填充防火岩棉，使得阻尼器与隔墙之间形成空隙，在地震作用下阻尼器可以产生水平位移。

小学单体5根据各层建筑平面功能，在不影响建筑使用功能的前提下，按照均匀、分散等原则，阻尼器整体三维模型示意图详图 3‑1。

图 3‑1SAP2000三维模型图

SAP2000模型中黏滞阻尼器采用非线性单元Damper 模拟，参数设置：阻尼系数60KN/(mm/s)a，阻尼指数0.25，刚度12000。

4.减震性能目标及设计方法

4.1减震性能目标

小学单体5的构件承载力满足关键构件（消能子结构、短柱、角柱）不低于《抗规》附录M性能2， 普通竖向构件、普通水平构件不低于《抗规》附录 M 性能3的设计要求，黏滞阻尼器正常工作。承载力及层间位移角预期性能目标详表 4‑1。

表4‑1预期性能目标

4.2减震设计方法

消能减震结构之所以能提高建筑抗震性能，消能减震器起了关键作用。如何比较准确的评估消能减震器的减震作用，是减震结构设计的首要问题。在减震结构设计中，引入附加阻尼比，可以在新的减震设计和传统抗震设计之间建立一座相互连通的桥梁。这样，就能有效地利用熟知的抗震设计方法来解决减震设计中的新问题。减震结构进行强度设计时，可以根据附加阻尼比来考虑消能减震器的作用，从而确定减震后的地震作用，减震效果可通过减震前后的结构位移、楼层剪力等来体现。

针对本工程，其具体设计内容主要包括：

（1） 确定结构的减震目标；

（2） 确定消能减震器的参数和数量，以及消能减震器的安装位置及型式；

（3） 计算附设消能减震器的减震结构在设防地震作用下的结构响应；

（4） 进行快速非线性时程分析（设防烈度地震），复核附加阻尼比；

（5） 罕遇地震作用下，采用修正的中心差分格式的直接积分法进行动力弹塑性分析，对结构位移进行验算，并对承载力不足的构件进行相应调整，最后完成与消能器相连的连接构件和结构构件的设计。

5.设防地震弹性时程地震波选取

在SAP2000软件分析中，小学单体5筛选了符合规范要求的5 条天然地震波和2 条人工地震波，所选地震波信息详表 5‑1。

表 5‑1设防地震地震波信息

6.设防地震弹性时程分析结果

小学单体5设防地震下 X 向和 Y 向楼层剪力详表 6‑1；在设防地震下，与考虑 3.0%附加阻尼比模型反应谱法计算结果相比，有阻尼器模型基底剪力减小较为明显，其中 X 向基底剪力减小 11.47%，Y 向基底剪力减小 11.15%。

小学单体5设防地震下 X 向和 Y 向层间位移角详表 6‑2；在设防地震下，与考虑3.0%附加阻尼比模型反应谱法计算结果相比，有阻尼器模型层间位移角减小较为明显，其中 X 向底层层间位移角减小 18.49%，Y 向底层层间位移角减小26.04%；沿着楼层高度层间位移角减小效果较均匀。

有阻尼器模型在设防地震作用下，结构层间位移角时程平均值：X 向最大值为 1/522，Y 向最大值为 1/528，满足 1/400 预期目标。

表 6‑1设防地震下基底剪力（kN）

表 6‑2设防地震下层间位移角（1/rad）

1.1 规范法附加阻尼比

小学单体5在设防地震作用下，黏滞阻尼器滞回耗能，为结构提供附加阻尼比，考虑到阻尼器实际安装误差的影响，对附加阻尼比考虑 10%折减，X 向结构附加阻尼比计算值为3.52%， Y 向结构附加阻尼比计算值为3.15%，本工程在设防地震下预期的附加阻尼比为3.0%，因此满足预期的附加阻尼比目标。

1.2 能量法计算结构耗能及附加阻尼比

小学单体5在设防地震作用下，X向黏滞阻尼器耗能平均值约占总能量的44%，结构本身固有阻尼耗能约占56%，；Y向黏滞阻尼器耗能总和约占总能量的42%，结构本身固有阻尼耗能约占58%，；说明减震模型在设防地震下基本保持弹性，进入塑性程度很低。此时，X与Y向减震装置附加阻尼比平均值分别为4.15%和3.84%，考虑 0.9 的折减系数后，X向附加阻尼比为 3.74%，Y 向附加阻尼比为 3.46%。满足设防地震下减震目标附加阻尼比3.0%。

1.3黏滞阻尼器设防地震下的滞回曲线

小学单体5设防地震下黏滞阻尼器滞回曲线示意详图 6‑1。可知设防地震下，黏滞阻尼器滞回耗能，滞回曲线饱满。黏滞阻尼器分担了一定的地震能量，从而保护了主体结构的安全。

图 6‑1设防地震下黏滞阻尼器滞回曲线

7.罕遇地震弹性时程分析法

7.1地震波的选取

在SAUSG软件分析中，小学单体5筛选了符合规范要求的2 条天然地震波和1 条人工地震波，所选地震波信息详

表 7‑1；

表 7‑1罕遇地震地震波信息

7.2结构弹塑性时程分析结果

小学单体5罕遇地震下有阻尼器模型的结构层间位移角取时程包络值：X 向最大值为 1/162，Y 向最大值为 1/173，满足 1/150 预期目标。

7.3罕遇地震弹塑性能量图与等效阻尼比

在罕遇地震作用下，黏滞消能器X、Y两个方向的耗能占地震总输入能量分别为35.0%和35.1%，其分别提供了约3.2%和3.2%的等效附加阻尼。罕遇地震下典型黏滞阻尼器滞回曲线详图 7‑1。

图7‑1罕遇地震下黏滞阻尼器滞回曲线

7.4结构损伤情况

三条地震波作用下的减震结构的构件损伤程度如下图所示。从以下可以看出：

（1）关键竖向构件的构件性能主要为轻度损坏，无中度及以上程度损伤。满足预设性能目标中关键竖向构件在罕遇地震下的“轻~中等破坏”的性能要求。

（2）普通框架柱的构件性能大部分为轻度损坏，少量中度损伤。满足预设性能目标中普通竖向构件在罕遇地震下“中等破坏”的要求。

（3）关键水平构件的构件性能主要为轻微~轻度损坏，无中度及以上程度损伤。满足预设性能目标中关键水平构件在罕遇地震下的“轻~中等破坏”的性能要求。

（4）普通钢筋混凝土梁的性能水平为大部分呈轻微~轻度损坏，少部分框架梁处于中度破坏，无框架梁呈重度损坏，能够满足预设性能目标中普通水平构件在罕遇地震下“中等破坏”的要求。

（5）关键构件与普通构件抗剪截面均满足规范要求。

图 7‑2罕遇地震作用下竖向构件性能水平（包络值）图 7‑3罕遇地震作用下水平构件性能水平（包络值）

7.5阻尼器最大出力与楼层屈服剪力比

《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297-2013）的第6.2.2 条第4 款：消能减震结构布置消能部件的楼层中，消能器的最大阻尼力在水平方向上分量之和不宜大于楼层层间屈服剪力的60%。根据规程要求，统计阻尼器最大阻尼力水平方向上的分力之和与各楼层对应方向的层间屈服剪力及其比值：X向1~3层分别为40.04%、23.68%、27.42%，Y向1~3层分别为30.65%、34.24%、27.06%，均满足规程要求。

8.不同阻尼系数及阻尼指数对附加阻尼的对比（扩展）

小学单体5中震阻尼器位置不变，分别选取不同阻尼系数、阻尼指数下的附加阻尼比对比，详表 8‑1。

表 8‑1小学单体5不同阻尼系数、阻尼指数下的附加阻尼比对比

综上，阻尼器系数越大，附加阻尼越大；阻尼指数越大，附加阻尼越大。阻尼器布置原则：X向、Y向2个方向宜成对布置，阻尼器间距控制在30m以内，分散均匀布置。长条形建筑在短方向不宜集中在某1~2跨。

9.小学、中学附加阻尼比及粘滞阻尼器技术参数表汇总

小学单体2、中学单体1附加阻尼比2.5%，小学单体1、小学单体3~单体6及中学单体2~单体6附加阻尼比3%；小学、中学各单体粘滞阻尼器技术参数表汇总详表 9‑1、表 9‑2。

表

9‑1小学各单体粘滞阻尼器技术参数表

表 9‑2中学各单体粘滞阻尼器技术参数表

10.结语

各单体对预期性能目标（详表 4‑1）的验算结果均为满足。

综上所述，依据相关规范综合考虑，各单体在多遇地震时能充分保证各构件处于弹性状态，在设防地震时主体结构能保持正常使用状态，说明该结构设计合理，安全可靠。通过以上计算复核，各单体能够满足结构抗震设计要求。

参 考 文 献

[1]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范（2016年版） [S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]GB 55001-2021，工程结构通用规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2021.

[3]GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准 [S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4]JGJ 297-2013，建筑消能减震技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[5] GB55002-2021，建筑与市政工程抗震通用规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2021.

[6] GB55008-2021，混凝土结构通用规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2021.

[7] RISN-TG046-2023，基于保持建筑正常使用功能的抗震技术导则 [S].北京：中国建筑工业出版社，2023.

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