黏滞阻尼器在某高中教学楼中的应用*(建筑)
陈晓彬， 潘 文
（昆明理工大学抗震研究所，昆明650500）
[摘要] 为研究高烈度区框架结构装设非线性黏滞阻尼器减震效果，以某典型框架结构工程实例为背景，输入地震波进行时程分析。以楼层侧移、层间位移角、楼层剪力为减震控制目标，分析结果表明，装设黏滞阻尼器的结构减震效果明显，阻尼器在不同的工况下滞回曲线均匀饱满，呈现典型的非线性速度型阻尼器特征，分析结果对于黏滞阻尼器在高烈度区的应用与推广具有一定的参考价值。
[关键词]高烈度区；黏滞阻尼器；框架结构；时程分析
0 引言
框架结构是目前应用最广泛的一种结构形式之一，它具有空间布局灵活、自重轻等优点。传统的框架结构通过加大主要受力构件的截面尺寸或增加配筋来提高其抗震性能，与此同时结构的质量和刚度都会增加，地震作用下结构所承担的荷载也会增加。结构配筋偏多，截面过大，不仅增加造价，而且很多情况下满足不了建筑使用功能要求。消能减震技术是指在结构上装设阻尼器，通过阻尼器的相对速度或者相对位移来附加阻尼，达到减震控制的目的。黏滞阻尼器由于不提供附加刚度，附加阻尼比较大，减震效果明显，在多遇地震下即可耗能，成为被动控制技术中目前应用最为广泛的技术之一。
本文以昆明市某高中教学楼工程实例对比分析地震作用下减震与非减震结构的响应，以期得到可供实际工程应用参考的价值。
1 黏滞阻尼器的工作原理和力学参数
黏滞阻尼器的工作原理是在外界荷载作用下流体通过孔隙或缝隙而产生的阻尼力并耗散地震输入能量。黏滞阻尼器的力与结构的位移反应和柱中弯矩反向，因此，黏滞阻尼器在减小结构响应的同时，不会在柱中产生与柱弯矩同向的轴力，黏滞阻尼器不会对结构产生附加刚度，因此结构的周期不会改变，从而不会增加地震力。线性与非线性阻尼器的力学模型如下：
线性：
2 工程概况
本工程为昆明市某高中教学楼，该楼结构体系为框架结构，结构设计使用年限为50年，框架抗震等级为一级，抗震设防为8度(0.2g)，建筑场地为Ⅱ类，设计地震分组为第三组，地上6层，建筑总高度为22.40m，首层层高5.4m，2~5层层高均为3.9m，第6层屋顶层高1. 4m，总建筑面积9903 m2。结构三维模型如图1所示。
3 结构消能减震设计方案
3.1阻尼器参数选取
通过调整结构PK模型的总阻尼比使结构达到减震性能目标，根据《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规）中“总阻尼比=结构阻尼比+附加阻尼比”，确定所需附加的阻尼比为5%，然后估算结构所需的阻尼器数量和参数，根据“均匀、分散、周边、对称”的原则布置阻尼器。本工程采用悬臂墙的支撑型式。结构各层阻尼器布置如图2所示，阻尼器数量及参数如表1所示。
3.2设防目标
抗规规定采用消能减震设计的结构，当遭遇到本地区的多遇地震作用时，可按高于（传统）的性能目标进行抗震设计，本工程预期减震性能目标如表2所示。
4 地震作用下的减震分析
结构的抗震设计采用SATWE软件，结构在多遇地震下的弹性分析采用ETABS NonlinerC V9.7.3软件，罕遇地震作用下的弹塑性时程分析采用SAP2000V17软件。
4.1两种软件模型对比
为了保证计算模型的准确性，需对比SATWE模型与ETABS模型在阻尼比为5%的结构基本特性，两种软件计算得到的质量、前三阶周期、楼层剪力（除顶层外）相差较小，楼层侧移之差等均在允许误差范围内，计算结果表明，分析模型是可靠的，能作为设计、分析的依据。
非减震结构质量、前3阶周期及楼层剪力对比分别如表3～5所示。
4.2地震波的选取
根据抗规要求，选取5条天然波（3号、11号、54号、82号、89号）和2条人工波( R18，R20)，分析结果取7条波计算的平均值，时程反应谱（多遇70gal）与规范反应谱5%阻尼比如图3所示。
4.3多遇地震下阻尼器的滞回曲线
滞回曲线反映阻尼器在地震作用下力与位移的关系，其所围成的面积就是阻尼器的耗能大小，由于篇幅限制，仅列出第2层编号为L2阻尼器的滞回曲线，如图4所示。从图4可以看出，阻尼器的滞回曲线均匀、饱满，阻尼器在多遇地震作用下即开始耗能。
4.4多遇地震下能量耗散分布图
能量时程图反映了地震作用下，结构模态阻尼耗能、阻尼器耗能与地震输入能量之间的相对关系，从图中可以看出结构很大一部分的能量由阻尼器消耗，大大减小了结构损伤，提高结构的抗震性能，R18号波X向的时程能量图如图5所示。
4.5多遇地震作用下减震与非减震结构对比
黏滞阻尼器在有限元软件中使用Damper单元模拟，采用快速非线性( FNA)对有阻尼器（有控）和无阻尼器（无控）进行计算分析，对比楼层剪力、层间位移角等结构参数指标，X、y向的楼层剪力对比如表6、表7所示，层间位移角如图6所示。
从表6、表7可以看出结构X、Y向的楼层剪力比（有控／无控）均在65%左右，达到预期的基底剪力减震目标，各层的剪力比值较接近，阻尼器布置均匀合理，结构没有出现薄弱层。
5 弹塑性时程分析
根据《消能减震技术规程》，结构要满足“小震可修，大震不倒”的要求，在弹性时程分析分析的基础上通过调整加速度峰值，选取三条波进行弹塑性分析。在SAP2000中定义梁和柱的塑性铰以模拟结构大震作用下塑性发展情况，结构在R20号波X向的出铰情况如图7所示，各大震工况作用下的层间位移角如表8所示。
从图7可以看出结构先出现梁铰然后出现柱铰，满足“强柱弱梁”的设计要求；从表8得出结构在大震下X、Y向层间位移角包络值分别为1/129，1/141，都出现在第2层，结构设计合理，层间位移角远小于减震性能目标1/80，结构安全储备较高，满足“大震不倒”的性能目标。
6 结论
本文通过对装设黏滞阻尼器的框架结构工程实例进行消能减震设计与分析，得出以下结论：
(1)对比有控与无控结构，有控结构的层间位移角、楼层剪力等结构特性均得到有效控制，黏滞阻尼器对于提高结构的抗震性能发挥了很好的作用。
(2)黏滞阻尼器在小震下即可耗能，可应用于高烈度区或对建筑舒适度有要求的建筑。
(3)黏滞阻尼器的滞回曲线呈现出典型的速度相关型耗能特征，滞回曲线均匀饱满，耗能效果显著。
(4)阻尼器布置位置、数量及参数对结构反应影响较大，设计时需对方案进行优化设计。
