黏滯與金屬阻尼器協同工作于加固工程的減震性能研究

白丹陽, 陳道政,2, 王鵬程

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國地震局工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著消能減震技術的不斷發展,阻尼器的種類和布置方式也日漸繁多,在既有建筑的加固改造中應用十分廣泛。常見的阻尼器按耗能機理的不同分為速度相關型和位移相關型2種,速度型相關阻尼器的耗能能力與流體擠壓或剪切速率密切相關,速度越大時,耗能能力越強,主要有黏滯阻尼器、油阻尼器、黏彈性阻尼器等類型。位移相關型阻尼器的耗能能力與材料屈服后的高延性變形相關,主要有金屬阻尼器、摩擦阻尼器等類型。

本文選取速度型阻尼器中具有代表性的桿式黏滯阻尼器和位移型阻尼器中的金屬軟鋼阻尼器進行研究。黏滯阻尼器和金屬阻尼器在多遇和罕遇地震下的敏感程度不同,耗能機理也有差別。金屬阻尼器在多遇地震下以提供剛度為主,加速度控制有限;罕遇地震下其結構充分屈服而耗能,加速度控制效果增強[1]。黏滯阻尼器在小震下即可滯回耗能,為結構提供附加阻尼且近乎不提供附加剛度?，F有研究已知結構采用相同的布置方式時,黏滯阻尼器的減震效果明顯優于金屬阻尼器[2],但黏滯阻尼器價格和維護成本均高于金屬阻尼器,因此研究兩者組合作用和單一作用于結構時的減震性能差異對降低結構抗震經濟支出及結構抗震性能優化有很大意義。本文以安徽某住院門診樓實際加固項目為研究對象,利用ETABS軟件建立布置2種不同阻尼器的3種方案的結構模型,并將3種方案分別進行多遇和罕遇地震下的動力時程分析,對比分析各方案的減震性能差異,并進一步分析混合布置方案的能量耗散情況,評價其在實際工程的具體減震效果。

1 阻尼器的介紹及工作原理

黏滯阻尼器是一種工程中常用的減震裝置,由缸筒、黏滯液體、活塞、導桿以及阻尼孔組成[3]。導桿與外部控制器相連,當外部結構發生振動時,導桿引導活塞在缸筒腔體內作往復運動,在這個過程中黏滯液體通過阻尼孔在活塞兩側自由流動,產生阻尼力,將動能以熱能形式耗散。

金屬阻尼器主要由各種金屬材料制造而成,如軟鋼、低屈服點鋼和鉛以及形狀記憶合金(shape memory alloys,SMA)等,其耗能減震原理是將阻尼器與主體結構連接的支座視為剛性域,使阻尼器只存在剪切變形[4]。在小震作用下,金屬阻尼器處于彈性工作階段,可以為結構提供附加剛度,但是不會吸收能量。在大震作用下,金屬阻尼器會在主體結構發生塑性變形前先一步屈服,而后進入彈塑性工作階段,通過滯回變形去消耗地震動輸入的能量[5]。

2 工程概況與減震方案

2.1 工程概況

本工程為安徽某醫院門診住院樓,原為高層廠房(未竣工驗收),現被收購作為門診住院樓,地上15層,地下1層,建筑高度為 60.5 m,框架-剪力墻結構,一層層高4.2 m,其余層高4.0 m,抗震設防為7度,設計地震分組為第1組,設計基本地震加速度為0.10g,建筑場地類別為二類,設計特征周期為0.35g。本項目屬改建醫院醫療建筑,按照我國《建筑工程抗震設防分類標準》中的相關規定,加固后建筑物根據其使用功能歸為乙類建筑,設防類別從原廠房建筑對應的標準設防提升至重點設防,需要按建筑所在地的地震設防烈度提高一度的標準進行抗震措施的加強,另外,依據地方建設主管部門要求,乙類建筑設計基本地震加速度值提高一檔,取為0.15g。

2.2 減震加固方案

本工程由于使用功能的改變使得建筑物從丙類廠房更新為乙類醫院,相應的框架和剪力墻抗震等級從二級提高至一級,采用傳統的對結構構件直接加固的方法難以解決抗震構造措施不滿足新要求的問題,如錨固長度不足、箍筋直徑偏小等。同時,既有結構設計采用基本地震加速度值為0.10g,現改造后使用值為0.15g,較原來有顯著增大,僅通過增大構件截面、外包型鋼、粘貼鋼板等方法進行加固設計,工程量大、工期長、成本高、加固效果不明顯,而且會影響建筑的正常使用。因此本工程選擇采用減震加固方案,結合建筑更新后的使用功能,在合適的位置布置阻尼器,從能量原理上通過提高結構阻尼比,減小主體結構在地震作用下的振動響應,控制結構的預期變形,大幅度提高抗震性能。

根據金屬阻尼器以及黏滯阻尼器工作原理,并結合原結構動力特性,為研究2種阻尼器布置方式對減震性能的影響,提出以下3種加固方案:

1) 方案1。采用逐層均勻布置的方法,在1～15層均布置黏滯阻尼器。

2) 方案2。1～15層均布置金屬阻尼器。

3) 方案3。1～15層每層混合布置黏滯與金屬阻尼器。

以上3個方案阻尼器的層內平面布置應沿結構2個主軸方向(X、Y方向)均勻設置,使結構在2個主軸方向的動力特性相近。其中,方案3的確定原則為:位移型消能部件宜設置在變形較大的位置,采用試算的方式確定金屬阻尼器的布置樓層。首先對原結構進行反應譜分析,確定層間位移角最大的樓層為7層,將阻尼器布置于該樓層;其次對布置了金屬阻尼器的結構進行反應譜分析,確定層間位移角最大的樓層為5層,將阻尼器布置于該樓層,再按此方法,依次迭代布置金屬阻尼器。速度型消能部件宜布置于層間相對速度較大的樓層,通過對上述設置了金屬阻尼器的結構進行時程分析,確定相對速度較大的樓層為頂層及其相鄰樓層,同時金屬阻尼器對樓層提供附加剛度,從而增大了樓層剛度,導致設置阻尼器樓層的上部樓層速度增大,增大地震反應。因此將黏滯阻尼器布置于這些樓層。

在本工程中,為使阻尼器加裝最小程度影響原結構的空間使用,金屬阻尼器和黏滯阻尼器設計均采用墻式連接安裝在新建隔墻內部,新建隔墻長度設計值為1 500 mm,厚度為200 mm,高度同層高,占用空間小且便于維護,如圖1所示。當采用墻式連接時,位移型阻尼器可優先布置在靠近柱邊位置,速度型阻尼器可優先布置在跨中位置。最終得到阻尼器的標準層平面布置圖,如圖2所示。

圖2 阻尼器標準層平面布置圖

2.3 阻尼器參數選取

黏滯阻尼器參數見表1所列。

表1 黏滯阻尼器參數

金屬阻尼器參數見表2所列。

表2 金屬阻尼器參數

3 有限元模型的建立與分析

3.1 ETABS模型的建立與地震波的選取

根據原結構的構件信息和主要參數,在ETABS軟件中先建立不布置阻尼器的原結構彈性模型,其中,梁柱構件、樓板、剪力墻分別采用框架單元、膜單元和薄殼進行模擬,并進行屬性修正和剛度折減。因為本工程地下室周邊土層條件良好,地下室頂板滿足作為上部結構嵌固端的條件,所以忽略地下室對于上部結構分析計算的影響,建模只保留地上結構1～15層。原結構的彈性分析ETABS模型如圖3所示。

圖3 原結構的ETABS模型

根據以上3種布置方案用ETABS分別建立不同的減震模型,其中黏滯阻尼器連接類型采用基于Maxwell模型[6]的Damper·Exponential,金屬阻尼器的連接類型采用Plastic(Wen)單元。

采用時程分析時,根據本工程場地土及地震信息等條件,擬采用RSN40地震波輸入,其加速度峰值為1 cm/s2,時間間隔為0.005 s。通過對波在頻域內的綜合調整,將多遇地震下加速度時程峰值調到55 cm/s2,罕遇地震加速度時程最大值調至310 cm/s2,使得其地震加速度時程峰值與文獻[7]相對應的時程分析所用地震加速度時程的最大值一致。

3.2 模態分析

對原結構模型進行模態分析,原結構前3階振型分別為X方向平動、Y方向平動和扭轉振型,自振周期分別為1.355、1.335、1.176 s,計算得周期比為1.176/1.355=0.867<0.9,且結構X、Y方向質量參與系數累計之和分別為97.6%、96.8%,均大于90%,滿足規范中對結構有效質量系數的要求。綜上所述,可以認為原結構模型性能反應合理。

3.3 多遇地震下時程分析

多遇地震下采用快速非線性時程分析法進行分析,3種方案在RSN40地震波作用下加固前后最大層間位移角及樓層總位移結果見表3所列。

表3 最大層間位移角、總位移

在地震波作用下原結構和3種方案在X、Y方向的各層層間位移角變化趨勢如圖4所示。

圖4 多遇地震地震波作用下層間位移角的變化

由表3可知,相比原結構,3種方案的樓層最大層間位移角和樓層總位移都有顯著降低,其中方案1的層間位移角降幅最大,方案2降幅最小,方案3介于方案1和方案2之間,且與方案1更為接近。這是由于在小震作用下,黏滯阻尼器可立即啟動耗能,而金屬阻尼器卻無法屈服耗能,只能為結構提供剛度?；旌喜贾灭c金屬阻尼器既可以增大結構剛度,又能保證結構在小震下也產生耗能。因此在多遇地震下,方案2的減震效果不如方案1、方案3?；旌喜贾梅桨赶略赬、Y方向最大層間位移角相比原結構分別降低60.41%、60.31%。

3.4 罕遇地震下時程分析

罕遇地震下采用彈塑性時程分析進行分析,在RSN40地震波作用下,得到其層間位移角變化如圖5所示。

圖5 罕遇地震地震波作用下層間位移角的變化

從圖5可以看出,3種方案在罕遇地震下的減震效果十分突出,但方案1降低層間位移角的能力要低于方案2、方案3。另外,方案1在2個方向的最大層間位移角均超過規范規定的1/400限值,方案2在Y方向不滿足,只有方案3在2個方向均達到目標要求,減震性能最優。這是由于在罕遇地震下,金屬阻尼器可以充分屈服耗能,而黏滯阻尼器雖然也可進行耗能,但無法提供額外剛度。因此2種阻尼器混合布置的方案既能進行充分耗能,又能為結構提供一定的剛度,減震效果更為優越。

地震作用時,結構的最大加速度直接影響到建筑的振動響應[8],最大加速度越小,高層建筑舒適度越高,結構性能越好[9]。3種方案在罕遇地震下結構最大加速度見表4所列。由表4可知,相比于原結構,方案1、方案3的頂點最大加速度明顯減少,且降幅較為接近。方案3在X、Y方向減震率分別達到23.9%、25.1%。

表4 頂點最大加速度 單位:m/s2

由以上分析可知,無論在多遇還是罕遇地震下,方案3都有很優越的減震效果,因此在同層混合布置2種阻尼器,可以充分發揮2種阻尼器的各自作用,使得其在不同階段各盡其能,達到最佳的減震效果。

4 結構耗能減震特性研究

4.1 附加等效阻尼比的計算

在減震結構的設計和研究中,常用等效阻尼比表示減震裝置對結構減震耗能作用的大小。本工程采用累積能量比值法計算消能部件對結構附加的等效阻尼比[9],累積能量比值法計算原理是通過結構固有阻尼比、對應的能量耗散大小和所有阻尼器耗散能量大小,來推算結構的附加等效阻尼比ξa,計算公式如下:

其中:wd為阻尼器耗能;w1為模態耗能;ξ1為模態阻尼比。

通過ETABS導出的能量數據可得混合布置方案下的結構在RSN40地震波下模態阻尼總耗能X方向為113.7 kN·m、Y方向為121.5 kN·m;阻尼器總耗能X方向為152.63 kN·m、Y方向為117.93 kN·m。ξ1取0.05,進一步計算附加阻尼比X方向為6.7%、Y方向為5.0%。由于本工程結構形狀規整,可取X、Y方向中的較小值作為阻尼器為結構提供的ξa,即ξa為5.0%。

4.2 罕遇地震下阻尼器滯回曲線

為了考察阻尼器在罕遇地震下的性能表現,分別選取1個黏滯阻尼器和1個金屬阻尼器的滯回曲線進行分析,如圖6所示。

圖6 RSN40波下阻尼器的滯回曲線

由圖6可知,金屬阻尼器的滯回曲線呈“梭”字型,阻尼器最大出力100 kN左右,最大位移約30 mm;黏滯阻尼器呈“回”字型,阻尼器最大出力為600 kN左右,最大位移約8 mm。2種阻尼器位移均未超過樓層最大位移限值,證明2種阻尼器在罕遇地震中依舊可以起到很好的耗散能量的作用,保護主體結構。

5 結 論

本文以實際工程為依托建立計算模型,分析金屬阻尼器和黏滯阻尼器同時應用于框架-剪力墻結構加固時的減震性能,對比混合布置方案與單一阻尼器布置方案在多遇地震及罕遇地震下的層間位移角變化,并對混合布置方案下的結構進行耗能分析,得出以下結論:

1) 無論在多遇還是罕遇地震作用下,結構附加金屬阻尼器或是黏滯阻尼器后以層間位移角為代表的位移指標均有顯著減小,在多遇地震下,單獨布置黏滯阻尼器的減震效果明顯優于單獨布置金屬阻尼器;罕遇地震下,單獨布置金屬阻尼器的減震效果略優于單獨布置黏滯阻尼器。

2) 在實際工程中,黏滯阻尼器和金屬阻尼器可以很好地協同工作,利用振型分解反應譜法對結構進行彈性地震響應分析,得到各個樓層層間變形模式和速度分布模式,按照層間變形和速度的分布混合布置阻尼器和設定參數可以使兩者協同工作的減震效果優于單獨布置某一種阻尼器。

3) 在同層混合布置黏滯與金屬阻尼器,可以實現在多遇地震下,黏滯阻尼器進行耗能,金屬阻尼器提供結構剛度;在罕遇地震下,金屬阻尼器提供剛度的同時充分屈服與黏滯阻尼器協同耗能,從而達到分階段耗能聯合減震的目的。本工程中采用混合布置方案后,在多遇地震下可實現約60%的層間位移降幅,在罕遇地震下可降低約25%的最大加速度,且可以達到規范規定的最大層間位移控制目標。進一步分析此方案,可知其在多遇地震下可提供5%的附加等效阻尼比,在罕遇地震下阻尼器滯回曲線飽滿,能量耗散表現優異。