采用粘滞阻尼器对某幼儿园进行消能减震设计.pdf

1 引言 消能减震是指在建筑物的抗侧力结构中设置消能 器，消耗部分地震能量，降低结构的地震作用，达到预期 设防目标的房屋减震设计1。 粘滞阻尼器属于速度相关 型阻尼器， 能够将地震输入主体结构的能量大量消耗 掉，从而达到保护主体结构的目的。 粘滞阻尼器最早在 土木工程中的应用源自美国的桥梁工程2，后因其具有 可重复使用、不影响结构周期和原设计、破坏后便于更 换等优点，近年来被广泛应用于土木工程中。 墨西哥市 长大楼3、波士顿 110 大楼4、北京银泰大楼5等著名工 程采用粘滞阻尼器消能减震设计，以上工程已经证明了 阻尼器在建筑抗震中能起到很好的作用。本文基于某幼 儿园框架结构工程实例，利用 ETABS 软件对其进行了小 震、大震作用下的有限元分析，研究了结构增设粘滞阻 尼器后减震结构与原结构的动力响应，对比分析了减震 结构在结构楼层剪力、层间位移角等方面的减震控制效 果，同时对粘滞阻尼器的耗能情况进行了分析。 2 工程概况 3 层框架幼儿园，总高度 11m，建筑面积 2942m2，结 构标准层平面图如图 1 所示。该结构采用现浇钢筋混凝 土框架结构体系，设计使用年限为 50 年，抗震设防烈度 为 8 度，设计基本加速度为 0.2g，建筑场地为 III 类， 设计地震分组为第一组。 本工程拟采用带粘滞阻尼器的框架结构体系，一定 程度上改善结构的抗震性能，使结构在小震、大震作用 下能满足 建筑抗震设计规范6(GB50011-2010)(简称 抗规)的 1/550 和 1/50 限值要求，提高结构在小震、大 震作用下的安全储备。 3 结构消能减震设计方案 3.1粘滞阻尼器布置 综合考虑建筑使用功能、结构抗震要求和多次优化 设计，决定在结构第二层 X、Y 两个方向各布置 2 套粘滞 阻尼器，共计 4 套。 由于使用功能，门窗等条件的限制， 本工程阻尼器拟采用单节点单阻尼器墙体支撑的安装 方式，粘滞阻尼器均设置在第 2 层的梁柱中，具体阻尼 器安装示意图如图 2 所示。阻尼器安装位置如图 1 所示 (椭圆标记)。 3.2粘滞阻尼器的选型 本工程拟采用双出杆型粘滞流体阻尼器。粘滞流阻 采用粘滞阻尼器对某幼儿园 进行消能减震设计 丁自想刘红尘吕 航 (广州大学土木工程学院) 【 摘要】以位于 8 度抗震设防地区的某框架幼儿园为研究对象， 采用粘滞阻尼器消能减震设计， 基于 ETABS 有限元分析软件，在小震和大震作用下对该框架结构的楼层剪力、层间位移角、减震前后 框架柱的配筋对比等进行了减震前后的震动控制效果对比分析。 结果表明：增设粘滞阻尼器后，该框 架幼儿园的楼层剪力和层间位移角得到有效控制， 小震作用下层间位移角的减震效果达到 38.57%， 大震作用下粘滞阻尼器充分发挥了耗能能力， 有效改善了结构的安全性能， 并达到预期抗震设计目 标。 【 关键词】消能减震设计；框架结构；粘滞阻尼器；减震效果 图1 结构标准层平面图 工程试验与研究 C MY K 万方数据 图2 粘滞阻尼器墙体支撑安装示意图 尼器主要由缸体、活塞、活塞杆和粘滞流体等组成，在外 界激励下，活塞杆在缸体内移动，迫使受压流体通过孔 隙或缝隙，进而产生阻尼力。 粘滞阻尼器的阻尼力 F 与 活塞运动速度 v 之间具有下列关系：F=Cv， 其中：C 为 阻尼系数， 为速度指数。 粘滞阻尼器设计参数与数量 分别见表 1。 3.3地震波的选取 按抗规的要求， 本工程拟采用 RH3 (人工波)、RH4 (人工波)、ELC、KAR、TH1、TH3、TH4 共七条地震波。 弹性 时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力均超 过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均大于振型分解反应谱 法计算结果的 80%，时程分析所采用的地震动满足抗规 要求。地震时程曲线加速度平均反应谱与规范规定的反 应谱对比见图 3，由图 3 可以看出，在结构主要振型周 期点上，地震波时程的平均影响系数与规范反应谱相差 不大于 20%，满足抗规要求。 4 地震作用下结构的消能减震分析 4.1结构动力特性的对比 所建 Etabs 模型减震前后前 3 阶振型的周期见表 2。由表 2 可以看出结构减震前后周期相差不大，说明增 设粘滞阻尼器不影响结构的周期。 4.2结构水平剪力计算 小震作用下，结构减震前后 7 条地震波计算所得楼 层剪力平均值的对比如图 4 所示。 由图 4 可见，增设阻 尼器后，楼层剪力减小，减震后结构 X、Y 向的剪力比原 结构 X、Y 向的剪力最大减小率分别为 47.06%、45.96%。 可见，结构中增设阻尼器后，有效提高了结构在地震作 用下的安全性能。 4.3结构水平位移计算 小震、大震作用下，结构减震前后 7 条地震波计算 所得层间位移角平均值的对比如图 5 所示。 由图 5 可 见，小震下，原结构弹性层间位移角平均值满足规范限 值 1/550，但是部分地震波的层间位移角超过规范的限 值，增设粘滞阻尼器后，Y 向减震效率较大，减震后 Y 向 结构位移角最大减小率为 38.57%， 由 1/546 由变为 1/982，可见，粘滞阻尼器发挥了很好的耗能能力，提高 结构的安全性能。 大震下，原结构的弹塑性层间位移角 虽在规范的限值 1/50 内， 但消能减震结构的弹塑性层 间位移角也有一定程度的减小，X 向减震效率较大，减 震后 X 向的位移角最大减小率为 15.45%，由 1/78 变为 1/93，可见，粘滞阻尼器发挥了很好的耗能能力，提高了 结构的安全性能。 4.4结构框架柱的配筋计算 柱的截面尺寸为 bh=600mm600mm，混凝土的强 度等级 C40，框架柱采用对称配筋，钢筋等级为 HRB400， 纵向钢筋的截面面积为 As1， 纵向受拉钢筋的截面面积 图3 规范谱与地震波谱对比图 表2 结构减震前后周期对比表 振型 周期(ETABS) 减震前减震后 10.45310.4528 20.41600.4166 30.38680.3869 图4 结构楼层剪力对比 表1 结构粘滞阻尼器设计参数与数量 行程 (mm) 阻尼系数 (kN/(mm/s) 阻尼指数 设计速度 (mm/s) 总数量 (个) 502300.153004 工程试验与研究 C MY K 万方数据 (a) 小震(b) 大震 图7 粘滞阻尼器滞回曲线 表3 框架柱减震前后配筋对比 柱的配筋面积(mm2) 框架柱编号 12345678 减震前 As131002500248030002520308024802680 减震后 As118401530145017601610177014401570 配筋减少率(%)40.6%38.8%41.5%41.3%36.1%42.5%41.9%41.4% 图5 结构层间位移角对比 (a) 小震(b) 大震 为 As，纵向受力钢筋的最小配筋率为 min，取 0.55%，纵 向受力钢筋的最小截面面积为As，min，As，min=minbh=1980mm2。 与阻尼器相邻框架柱的编号如图 1 所示 (黑色数字标 记)。 小震作用下与粘滞阻尼器相邻框架柱的配筋如表 3 所示。 减震后框架柱的配筋均小于最小配筋面积，取 最小配筋面积，即减震后框架柱的配筋面积为 1980mm2， 由表 3 可见减震后框架柱的配筋显著降低。小震作用下 1 柱的 P-M 曲线如图 6 所示。 4.5粘滞阻尼器耗能性能分析 小震、大震作用下部分粘滞阻尼器的耗能曲线如图 (a) 减震前(b) 减震后 图6 1柱的P- M曲线图 工程试验与研究 C MY K 万方数据 7 所示。 由图 7 可知，非线性粘滞阻尼器在小震、大震作 用下均具有滞回曲线饱满的特点，说明粘滞阻尼器具有 优越的耗能能力，衰减地震输入结构中的能量，进而提 高结构的抗震储备。 4.6等效附加阻尼比的计算 附加阻尼比计算方法采用规范建议的能量法，采用 7 组地震波进行时程分析，按 建筑消能减震技术规 程7JGJ297-2013 第 6.3 节中公式进行计算并取平均 值，计算公式如下： d= n j = 1 移Wcj/4Ws (式 1) 式中各参数详见 建筑消能减震设计规程6.3.2 条规定。 按照式(1)算得的结构 X、Y 向等效附加阻尼比分别 为 6.50%、9.37%。 4.7与阻尼器连接的墙体支撑截面设计 与粘滞阻尼器连接的墙体支撑截面拟采用：墙体截 面宽度 b=300(mm)，截面长度 h=1700(mm)，保护层厚度 as=30(mm)，支撑墙体高度 1200mm，混凝土采用 C30，钢 筋采用 HRB400。 Vu=1/RE(0.15cfcbh0) (式 2) Vd=nFd (式 3) Mu=a1fcbx(h0-x/2)+f yAs(h0-as ) (式 4) As=0.003bh/2 (式 5) Md=Vdh=nFd(h1-h安)/2 (式 6) 式(2)(6)各参数详见抗规相关规定。 按照式(2)(6)算得，墙体截面的抗剪承载力 Vu 与阻尼器阻尼力引起的剪力 Vd的比值为 1.86，大于 1； 墙体截面抗弯承载力 Mu与阻尼力引起的墙端弯矩 Md的 比值为 1.07，大于 1。 故本工程拟采用与粘滞阻尼器连 接的墙体支撑满足截面抗剪承载力要求且满足截面抗 弯承载力要求。 5 结论 减震结构在小震下楼层剪力与层间位移角显著 降低，最大减小率分别为 47.06%(Y 方向)、32.93%(Y 方 向)。 小震、大震作用下粘滞阻尼器的滞回曲线饱满，粘 滞阻尼器在小震、大震中都有很好的减震作用。 大大增 强了结构的整体抗震能力，提高了结构的安全性。 减震后， 结构在小震下层间位移角小于 1/550， 大震下层间位移角小于 1/50，满足抗规要求。 按以上消能减震设计，结构增设的阻尼器可为结 构提供 6%的附加阻尼比。 减震后框架柱的配筋显著降低，框架柱配筋最大 减小率为 42.5%， 说明阻尼器发挥了很好的减震效果。 【 参考文献】 1 唐家祥.建筑隔震与消能减震设计J.建筑科学,2002,1: 21-27+44. 2 魏锦涛.液体粘滞阻尼器及其在土木工程中的应用J.四川 建筑科学研究,2006,2:124-128+135. 3 A Rahimian, Enrique Martinez Romero. Standing Tall for the Torre Mayor Project at Mexico City J. Modern Steel Construction, 2003,4:1-8. 4 Robert J. Mcnamara, Douglas P Taylor. Fluid Viscous Dampers for High-Rise Buildi