106-粘滞阻尼墙在高层结构消能减震中的应用-王海

第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016 年
利用ETABS软件中快速非线性分析方法（FNA）对设置阻尼墙最终方案消能减震结构进行8度多遇地 震下的地震响应分析。快速非线性分析方法是Edward L . Wilson提出的，这种方法十分适合对配置有限数 量非线性单元的结构进行非线性动力分析[5]。 图9给出了3条地震波作用下X向和Y向楼层减震和非减震结构 时程包络剪力；图10给出了3条地震波作用下X向和Y向楼层减震和非减震结构时程包络位移角。
在高烈度地区，由于不同原因导致结构在多遇地震下不能满足规范要求，或需采取明显不合理的过分 加强措施才能满足规范要求，当需采取减震措施才能满足实际工程和建筑要求时，可采用减震措施，其抗 震设防目标可与现行抗震规范相同，而与阻尼墙相连接的构件需达到大震不屈服的目标要求[4]。减震目标 的确定在结构减震设计中十分重要，它是减震效果和经济性的一个平衡点，所确定的减震目标既要求减震 系统能够达到常规设计提出的要求，又不能过多配置造价相对较高的消能元件。 确定好减震体系的设防目标后，首先需要估算配置多少数量的阻尼墙可以满足预定的性能目标，然后 根据结构的具体形式在平面和竖向配置和优化。可以按照图7给出的减震设计流程图进行减震设计[4]，从图 中可以看出，初步确定阻尼墙的配置数量和方案后，通过对减震体系进行非线性地震响应分析确定方案是 否能够满足预期的设防目标。对于满足减震目标的阻尼墙配置方案可以进行进一步的优化设计，而对最终 方案还要进行阻尼墙的细部连接设计，包括与阻尼墙相连的梁柱构件的设计、预埋件的设计等。
注：为粘滞阻尼墙，X、Y向各4片。 图88-20层粘滞阻尼墙的阻尼平面图
5 非线性地震响应分析
5．1 多遇地震非线性响应分析 本工程进行多遇地震时程分析时，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）选择两条天然波和 一条人工波， 每组波包含X、 Y两个方向的分量。 时程波主次方向按1： 0.85 比例输入。 地震波的频谱特性、 有效峰值和有效持续时间满足规范要求，根据安评报告，多遇地震峰值加速度取80.4gal。
关键词：粘滞阻尼墙；消能减震；高层建筑；附加阻尼比
1 引言
消能减震设计作为一项结构减震新技术，主要是通过附加消能减震装置与原结构组成一个新的结构系 统，原结构和附加的消能减震装置均为这一新结构系统的子结构。附加的消能减震装置可以增加整个结构 体系的刚度和阻尼， 减少输入到主体结构的地震能量， 从而降低主体结构的地震反应， 达到预期防震要求。 消能减震技术由于减震原理清晰、减震效果显著、工程造价合理，一直是国内外研究与应用的热点之一， 是当今结构被动控制研究和应用的一个重要方向。高层建筑中常用的消能减震技术有位移型阻尼器、速度 型阻尼器和调谐阻尼器等[1]。与其他类型的阻尼器相比，速度型粘滞阻尼器性能稳定、概念清晰，在结构 上设置非结构耗能元件可以提高其抗震性能已经得到工程界广泛认可。粘滞阻尼器具有小变形下耗能能力 强、耗能效率高、无金属疲劳和冗余度高等优点，适合高层建筑结构不同水准地震下的耗能要求和不同抗 风需求（包括舒适度控制、风荷载下的变形控制和风荷载下的构件承载力控制）。在各种消能减振装置中 粘滞阻尼墙作为速度相关型耗能装置由于其优越的性能，在国内外应用尤为广泛。粘滞阻尼墙从研发至今 已成功地应用于大量的建筑减震项目中，具有以下主要特点[2]：（1）对风致振动和地震作用，均可获得良 好的减振效果；（2）可依据建筑规模及减震要求，自由设计阻尼墙参数；（3）阻尼墙内的粘性体，耐久 性高，不易起变化，且不须维修保养；（4）产品可设置在墙壁内，不影响建筑使用功能。 本文以新疆乌鲁木齐市的一栋95.95m高的建筑为工程背景，该项目为高层公寓楼，地上28层，其中1-3 层为商业，其余楼层为公寓，地上总建筑面积27892m2，建筑结构高度95.95m，塔楼采用钢筋混凝土框架剪力墙-支撑框架结构体系，图1为建筑效果图。本文首先提出了粘滞阻尼墙减震体系的设防目标并给出了 减震分析的详细流程及阻尼墙的基本布置原则。通过对减震体系的非线性地震响应分析，优化了粘滞阻尼 墙的布置，在此基础上详细分析了减震体系的地震作用剪力、位移、能量耗散、附加阻尼比及构件在罕遇 地震下的损伤等问题，最后对减震体系的经济性进行了比较。
图9 减震与非减震结构剪力对比
图10 减震与非减震结构层间位移角对比
从图9、图10可以看出，结构采用阻尼墙进行消能减震设计后，在8度多遇地震作用下的结构地震剪力 和层间位移角都有所减小，各组波基底剪力包络值X向和Y向减小约为20%和17%，最大层间位移角包络值 X向和Y向减小约为19%和27%。由图10可知结构层间位移角满足《规范》不大于1 /800 的要求，说明设置 粘滞阻尼墙等对结构抗震性能有明显提高。 5．2 多遇地震附加阻尼比的计算 附加阻尼比一般采用《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297-2013）第6.3.2 条或者能量法进行计算，规 范方法和能量法都是以阻尼器耗散能量来确定附加阻尼比。规范方法以结构往复一周的耗能近似计算，与 实际耗能有一定差异；能量法中的能量输入和耗散来自于地震波，其计算的附加阻尼比相对比较合理。本 工程根据ETABS软件可以直接输出阻尼器耗能和模态阻尼耗能，模态阻尼大小为5%，根据阻尼器耗能与 模态阻尼耗能的比值可计算阻尼器提供的附加阻尼比。以天然波1的X向输入为例，模态耗能和阻尼器耗能 分别为1935kN.m和1922kN.m（如图11），则阻尼器等效阻尼比为0.05x1922/1935=0.0496。表1列出了各条 地震波计算下的附加阻尼比。 5．3 罕遇地震非线性响应分析 本工程进行罕遇地震时程分析时，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）选择两条天然波和 一条人工波，每组波包含X、Y两个方向的分量。时程波主次方向按1：0.85比例输入。地震波的频谱特性、 有效峰值和有效持续时间满足规范要求，罕遇地震峰值加速度取400gal。
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及滞回特性随速度指数变化的关系。在正弦振动下，速度相关型消能器的滞回环随着速度指数的减小，滞 回环越接近矩形，其耗能能力也越大。
图 5 阻尼力与速度指数的变化关系图 6 滞回曲线随速度指数的变化关系
3粘滞阻尼墙减震体系的设计流程
图 2 粘滞阻尼墙基本构造图 3 阻尼墙粘性体
图 4 粘滞阻尼墙工作原理
通常粘滞消能器力学模型可以表达为下式：
F CV （1）
上式中：F为阻尼力，单位kN；C为阻尼系数，单位kN•(s/m)α；V为消能器两端节点的相对速度，单位m/s； α为速度指数，常在0～1之间。图5和图6分别给出粘滞阻尼器的阻尼力、速度及速度指数的变化关系，以
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粘滞阻尼墙在高层结构消能减震中的应用
王海1，张达生，温四清
（中信建筑设计研究总院有限公司武汉 430014）
摘
要： 以高烈度区新疆乌鲁木齐市的一栋95.95m高的建筑为工程背景， 提出了粘滞阻尼墙减震体系的设防目标， 并给出了减震分析的详细流程及阻尼墙的基本布置原则。通过对减震体系的非线性地震响应分析，优化 了粘滞阻尼墙的布置，在此基础上详细分析了减震体系的地震作用剪力、位移、能量耗散、附加阻尼比 及构件在罕遇地震下的损伤等问题，最后对减震体系的经济性进行了比较。分析表明：粘滞阻尼墙对高 层建筑的抗震性能有很大的改善，能够给结构提供额外的附加阻尼比。研究为粘滞阻尼墙在高层建筑的 减震设计中的应用提供了工程案例，其设计思路可以为高层结构的减震提供借鉴和参考。
分析结构动力特性
确定减震目标
初步确定减震方案（配置阻尼墙）
非线性地震响应分析
否
减震目标
确定震设计流程图
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4 粘滞阻尼墙的布置方案及其优化
本项目位于高烈度设防区新疆乌鲁木齐，抗震设防烈度为8度，基本加速度为0.2g。由于受建筑条件制 约，主体结构“Y”向剪力墙长度较短，导致该方向结构抗侧移刚度较弱，为提高“Y”向抗侧移刚度，在建 筑两端沿“Y”向设置支撑框架，支撑框架采用钢筋混凝土结构。虽然采取了一系列措施提高主体结构“Y” 向抗侧移刚度，但由于建筑结构“Y”向尺度较小，“Y”向层间位移角指标仍不能满足规范要求。如果采用传 统的抗震设计方案， 只有通过布置较多剪力墙， 增大构件截面尺寸等措施来抵抗地震作用， 满足位移要求。 这样做不仅影响建筑功能使用，使建筑物重量加大，地震作用也加大，而且结构构件截面尺寸及配筋量均 加大。故通过经济性比较，决定采用消能减震技术，通过合理布置减震单元，对结构提供附加阻尼，起到 消耗地震能量的作用。减震体系的减震设防目标定为满足最大层间位移角小于1/800。 在给定的设防目标下，需要在结构中合理配置阻尼墙以达到预期的减震效果。在阻尼墙的布置中需要遵循 “大分散，小集中”的基本原则，同时要考虑到建筑物本身的一些特点。塔楼底部楼层布置阻尼墙会影响商 业使用功能，上部楼层为普通住宅，阻尼墙布置又不能对居住生活产生较大影响。在阻尼墙配置的初步方 案的基础上进行了多轮优化分析，给出了阻尼墙的竖向最优布置原则和平面最优布置原则。在阻尼墙的竖 向布置原则中有以下配置方案：①隔层配置方案；②配置两层间隔一层方案; ③配置三层间隔一层方案； ④集中配置位移角较大楼层的方案；⑤集中配置层间位移角较小楼层的方案；⑥连续均匀配置方案。分析 结果表明，在配置相同数量阻尼墙的情况下，各种配置方案给结构附加的阻尼比有一定的差别，墙竖向配 置原则是: 连续均匀，集中配置位移角较大楼层的方案。通过阻尼墙数量、位置的多轮时程分析、优化调 整后，确定了最终减震方案，本工程每一层设计8个粘滞阻尼墙（X、Y向各4片），全楼在8~20层放置阻 尼墙，共104个阻尼墙，个别阻尼墙发生故障不影响整体耗能水平，粘滞阻尼墙具体平面布置位置如图8所 示。 结构承担的地震作用、 变形、 顶部加速度和阻尼力与阻尼系数成线性变化， 阻尼系数越大， 基底剪力、 顶点位移和顶部加速度线性减小，阻尼力线性增大，阻尼器耗能增加。虽然阻尼系数越大，耗能越多，结 构响应下降越多，但需选择合适的阻尼系数，避免产生过大的阻尼力，对附加构件提出过高要求。同时由 于阻尼系数越大，阻尼器成本也越高。通过试算，综合耗能需要和经济性，本工程阻尼系数C取 1000kN/(m/s)0.3，本工程阻尼墙的阻尼指数取0.3，是目前阻尼器厂家可以达到的较好水平。
2 粘滞阻尼墙的力学特征
作者简介：王海（1983—） ，男，博士，工程师
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图 1 建筑效果图
粘滞阻尼墙( viscous damping wall) 是由日本学者M. Miyazaki 等最先提出，于20 世纪80 年代在日本 得到应用。 粘滞阻尼墙的构造如图2所示， 主要构成单元是充满粘滞体 （如图3） 的外部钢板 （粘滞体容器） 和插入其中的内部钢板（阻抗板）[3]。其固定于楼层底部的钢板槽内填充粘滞液体，插入槽内的内部钢板 固定于上部楼层，当楼层间产生相对运动时，内部钢板在槽内粘滞液体中来回运动，产生阻尼力，其恢复 力特性与筒式粘滞消能器接近，如图4。
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图11 时程曲线 天然波 1 天然波 2 人工波 1 荷载方向 X 方向 Y 方向 X 方向 Y 方向 X 方向 Y 方向
ETABS模态耗能和阻尼器耗能的对比 模态耗能/kN.m 1935 1895 1992 2082 1509 1610 附加阻尼比 0.050 0.049 0.047 0.047 0.048 0.049