某钢筋混凝土框架结构消能减震设计

摘要：对设有48个黏滞阻尼器的某消能减震钢筋混凝土框架结构的抗震性能进行研究，分别采用Etabs和Perform-3D软件对结构在多遇地震和罕遇地震下的结构响应进行分析，并计算附加阻尼比。分析结果表明：1）相比于原结构，消能减震结构的层剪力能减小55%以上，层间位移角减小35%以上，具有良好的抗震性能及减震效果；2）黏滞阻尼器提供的附加阻尼比满足设计需求，且结构能够达到“大震不倒”的设计目标；3）黏滞阻尼器性能良好，在多遇地震和罕遇地震下均能大量耗散地震输入结构的能量。。

关键词：钢筋混凝土框架；消能减震；黏滞阻尼器；附加阻尼比

1 工程概况

某钢筋混凝土框架结构总建筑面积约为5760m2，地上6层，总高度为27.6m，框架柱截面尺寸为0.8×0.8m，采用C40~C30混凝土材料，主梁截面尺寸主要有0.3×1m和0.25×0.75m两种，采用C30混凝土材料。

结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防分类为重点设防类（乙类），地基基础设计等级为乙类，基础设计安全等级二级。场地类别Ⅲ类，设计地震分组第三组，区域抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，抗震设计时结构阻尼比取5%。50年一遇基本风压取0.3kN/m2，地面粗糙度为B类。本工程的消能减震目标为多遇地震作用下加设的消能减震装置能提供15%附加阻尼比，以减小结构地震响应。 2 消能器的选择和布置

在地震作用下，速度型阻尼器（譬如黏滞阻尼器）仅为结构提供阻尼，可同时降低结构的层间剪力和位移。位移型阻尼器（譬如金属阻尼器）不仅为结构提供阻尼，还会提供附加刚度，虽然能有效降低结构的位移响应，但由于结构整体刚度增大，导致结构周期减小，其所受地震力可能反而会增大[1]。本工程设计目标要求在多遇地震下结构的层剪力和层位移均减小，附加阻尼比要求为15%。因此，采用黏滞阻尼器进行结构消能减震设计是最为合适的。

图1 黏滞阻尼器平面布置

JGJ297-2013《建筑消能减震技术规程》[2] 规定“消能部件的布置宜使结构在主轴方向的动力特性相近，宜使结构沿高度方向刚度均匀，宜布置在层间相对位移或相对速度较大的楼层”。因此，综合考虑建筑功能要求和上述阻尼器布置规定，本工程将黏滞阻尼器布置在结构的1~3层，平面布置如图1所示（红色椭圆即为黏滞阻尼器布置位置）。总共采用了48个阻尼系数为350kN/(mm/s)0.2，阻尼指数为0.2的非线性黏滞阻尼器。黏滞阻尼器在结构中采用人字形支撑（支撑为500x200x30x30的箱型截面）的布置方式，如图2所示。

图2 黏滞阻尼器布置形式

3 消能减震结构计算模型及地震波 3.1 计算模型

采用ETABS对消能减震结构进行有限元建模，上部结构采用弹性模型，每楼层均采用刚性隔板假定，嵌固端为地下室顶部，梁和柱采用框架线单元，楼板采用膜单元，黏滞阻尼器采用非线性连接单元。地震作用时程分析采用FNA法，各分析过程考虑二阶重力荷载效应。表1、表2为原结构的ETABS模型和PKPM模型的计算结果，可知结构质量和前3阶周期吻

合良好，采用ETABS模型进行消能减震设计是合理可行的。

3.2 地震波

由GB50011-2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[3]（简称《抗规》）第5.1.2条规定，选取了5条实际地震波和2条人工模拟地震波加速度时程（AW开头为人工波，其余为天然波），7条地震波的反应谱和规范反应谱曲线如图3所示，各时程平均反应谱与规范反应谱在原结构基本周期处较为接近。基底剪力对比结果见表3，7条地震波有效持续时间与基本周期比值在7.2~13.3之间，均能满足《抗规》要求。

4 消能减震效果分析

对比多遇地震作用下，原结构和消能减震结构的层剪力和层间位移角，考察加设黏滞阻尼器后的减震效果。 4.1 层剪力对比

图4为原结构楼层剪力和消能减震结构层剪力对比。由图4可知，原结构X、Y方向7条时程波基底剪力均值分别为38760kN和35243kN，消能减震结构X、Y方向7条时程波基底剪力均值分别为15079kN和17740kN，较原结构分别降低61%和55%，说明原结构加设黏滞阻尼器后，大大降低了结构在多遇地震下的受力，增加了结构的安全性。

(b) 消能减震结构层剪力 图4 层剪力对比 4.2 层间位移角对比

图5为原结构层间位移角和消能减震结构层间位移角对比，可知X向和Y向层间位移角最大位置均发生在第2层。原结构X、Y方向7条时程波层间位移角均值分别为1/406和1/383，消能减震结构X、Y方向7条时程波层间位移角均值分别为1/670和1/593，较原结构分别降低39%和35%，说明黏滞阻尼器不但减小了结构在地震作用下的受力，同时也降低了结构的层位移，在相同地震波下，消能减震结构的梁、柱构件变形远远小于原结构，提升了结构的抗震性能。

(a) X向 (b) Y向

图6 多遇地震下黏滞阻尼器滞回曲线 6 罕遇地震验算

采用Perfrom-3D软件进行罕遇地震作用下消能减震结构弹塑性分析，验算其在罕遇地震下的层间位移角是否满足规范要求以及黏滞阻尼器的耗能情况。梁柱单元采用两端基于纤维截面的塑性铰单元，楼板采用刚性隔板假定，钢筋本构采用二折线模型，混凝土本构采用四折线模型，材料强度采用标准值。地震波选取了小震分析中的AW-2波、CPC波和FN1272波。该模型质量为350吨，前三阶周期为1.09s、1.03s和0.99s，对比表1表2可知该模型与PKPM模型吻合良好。

表5是罕遇地震下结构层间位移角，从中可知3条地震波作用下，结构的最大层间位移角为1/118（CPC波X向第2层），远小于规范限值的1/50要求，消能减 震结构能够满足“大震不倒”的设计要求。

(a) X向 (b) Y向

图7 罕遇地震下黏滞阻尼器滞回曲线 7 结论

本文针对某消能减震框架结构的抗震性能进行分析，分析结果表明：

1）原结构加设48个黏滞阻尼器后，形成的消能减震结构的层剪力减小55%以上，层间位移角减小35%以上，具有良好的抗震性能及减震效果。

2）多遇地震作用下，结构弹性层间位移角满足规范限值要求，附加阻尼比能达到15%的设计需求。罕遇地震作用下，结构层间位移角满足规范限值要求，能够达到“大震不倒”的设计目标。

3）黏滞阻尼器性能良好，在多遇地震和罕遇地震下均能大量耗散地震输入结构的能量。 参考文献

[1]潘鹏. 建筑结构消能减震设计与案例 [M]. 北京：清华大学出版社，2014. [2]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. [3]GB50011-2010 建筑抗震设计规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.