粘滞流体阻尼器在高层建筑减振设计中的应用研究李世军

粘滞流体阻尼器在高层建筑减振设计中的应用研究李世军

李世军

柳州东方工程橡胶制品有限公司广西省545025

摘要：结构消能减振(也称“消能减震”)技术就是一种结构控制技术，它是通过在结构的适当位置安装消能减振装置，利用这些装置的耗能来减小结构在强震和大风作用下的振动反应,并被认为是减轻结构地震和风振反应的有效手段。工程结构粘滞流体阻尼器就是这样一种减振装置。基于此，本文主要对粘滞流体阻尼器在高层建筑减振设计中的应用进行分析探讨。

关键词：粘滞流体阻尼器；高层建筑；减振设计；应用研究

1、前言

工程结构采用粘滞流体阻尼器的减振设计原理在地震或风作用下，建筑结构接收了输入能量，这种输入能量被转化为结构的动能和变形能，从而引起结构的振动反应(加速度、速度和位移)。在此过程中，当结构的总变形能超越了结构自身的某种承受极限时，便会发生损坏甚至倒塌。如何减小工程结构在强震和大风作用下的动力反应，满足承载力、变形能力和稳定性的要求，是一个全新的研究领域。结构控制的概念可以简单表述为：通过对结构施加控制机构，由控制机构与结构共同承受振动作用，以调谐和减轻结构的振动反应，使它在外界干扰作用下的各项反应值被控制在允许范围内。

2、消能方案

因结构体系抗震有问题，需要采取减振措施，考虑到产品性能的稳定性以及在我国市场上的成熟程度，考虑采用粘滞流体阻尼器作为结构消能减震装置，在地震作用下，工程结构的动力反应都是多自由度低频振动，根据现行抗震设计方法三水准的设防要求，可使建筑物“裂而不倒”，但在能量转换或消耗中，承重构件要出现损坏，即依靠承重构件的损坏消耗大部分能量，这往往导致结构构件在地震中严重破坏，并危及整体结构，使震后很难恢复建筑物功能，这在经济利益上是极不合理的，尤其对于使用要求比较高的重要建筑物，震后功能的恢复将花费巨额资金。因此人们开始发展结构振动控制技术。

其中，结构消能减振就是一种有效的结构控制技术。它是把结构的某些非承重构件设计成消能杆件，或在结构的某些部位安装消能装置，在多遇地震时，这些消能杆件和结构本身具有足够的侧向刚度以满足使用要求，并使结构处于弹性状态。在罕遇地震作用下，随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进入塑性状态，并产生较大阻尼大量消耗地震能量，从而迅速衰减结构的地震反应，使主体结构避免出现明显的非弹性状态，保护主体结构及构件在罕遇地震中免遭破坏。

工程采用粘滞流体阻尼器作为结构消能减震装置，其等效刚度是随着相对位移的增大而减小的，在一般情况下，不会给结构层间造成过大的刚度贡献。可认为只对结构提供附加阻尼，形成流体阻尼器对结构的控制力。阻尼器由缸筒、活塞、阻尼孔、阻尼材料和导杆等组成，缸筒内装满甲基硅汕作为阻尼材料。当活塞与缸筒之间发生相对运动时，由于活塞前后的压力差，使流体阻尼材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力。其对结构进行振动控制的机理是将结构的部分振动能量通过阻尼器中粘滞流体阻尼材料的粘滞耗能耗散掉，达到减小结构振动反应的目的。

3、粘滞流体阻尼器在高层建筑减振设计中的应用研究

3.1工程概况

某商务大楼原设计为酒店综合楼，地下2层，地上17层，高度72.1m，总建筑面积2.1万平方米。抗震设防类别为标准设防(丙)类，结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类。采用现浇钢筋砼框架－剪力墙结构，框架、剪力墙抗震等级均为二级。本工程于2011年设计，2013年竣工。因实际需要，现将此建筑改造为三级医院门诊病房楼，故需进行抗震加固改造。抗震设防类别应提高至重点设防(乙)类，建筑类别调整后用于抗震验算的烈度为7度，用于确定抗震措施的烈度由7度调整为8度，相应抗震等级调整为:将原框架、剪力墙抗震等级二级均调整为一级。

3.2加固方案

3.2.1常规加固方案

根据现行结构设计规范，本工程抗震设防类别提高后，结构构件抗震措施须做如下相应调整:

(1)节点、构件内力调整。内力放大系数更大，会导致部分构件承载力不足。

(2)抗震构造措施要求更高:框架柱、剪力墙轴压比限值更严，构件主筋、箍筋配筋率更高，最小钢筋直径更大。例如:一级抗震剪力墙轴压比限值为0.5(原二级为0.6);一级抗震框架梁、柱加密区箍筋最小直径为10mm(二级为8mm);一级剪力墙约束边缘构件阴影部分纵筋配筋率不应小于1.2%(二级为1.0%)，且不应小于816mm(二级为616)，箍筋间距不宜大于100mm(二级为150)等。这些抗震构造措施在《建筑抗震设计规范》(下文简称《抗规》)及《高层建筑混凝土结构技术规程》(下文简称《高规》)有详细描述，本文不再逐一重复。

针对上述抗震措施的调整，采用常规加固方案有以下难点:

(1)如果框架梁、柱加密区箍筋直径不足，外箍可以粘钢加强，内箍直径仍然不足。大量节点需要改造，不经济。

(2)如果墙、柱轴压比不足，需加大截面，影响使用，且外墙处施工不便，楼梯间处影响疏散宽度。

(3)剪力墙边缘构件纵向钢筋不足，需要粘钢，外立面处不易施工。

(4)常规加固方案不可避免要破坏外墙立面原有的干挂石材、玻璃幕墙，造价太高。

3.2.2采用阻尼器消能减震、提高整体结构抗震性能加固方案

本工程抗震措施的提高包含两个方面:抗震构造措施、节点或构件内力调整。基于抗震性能设计的基本思路:“高延性构造，低弹性承载力”或“低延性构造，高弹性承载力”。利用粘滞阻尼器的消能减震原理，可以减小结构的地震响应，相当于提高了既有结构构件的弹性承载力，结构的抗震构造措施可以相应降低。从而避免大量节点、构件的改造、加固。常规的抗震设计方法是靠结构的延性来耗散地震能量，但是在强烈地震作用下，结构构件利用自身的延性耗散地震能量的同时，也会受到严重的损伤。如果在结构上安装阻尼器，通过阻尼器大量耗散地震输入到主体结构的能量，则可以保护主体结构免遭损坏。

消能减震技术近年来大量应用在对已有建筑物的抗震加固上，与传统的加固技术相比主要优势有:(1)施工现场无湿作业，基本不影响原建筑的正常使用功能;(2)能在保持原建筑外貌不变的前提下，实现提高抗震能力和改善使用功能的协调;(3)消能效果明显，经过合理的设计，可以满足不同设防烈度下的抗震要求;(4)可以有效降低造价和缩短工期。基于以上优势，消能减震技术在建筑物抗震加固中的应用前景十分广阔。

经过综合比较，在征询业主意愿并通过专家论证后，确定本工程采用增设阻尼器消能减震加固方案。根据专家论证的意见，设置粘滞阻尼器满足中震和大震时的安全性，以弥补抗震构造措施的不足。除设置粘滞阻尼器外，底部加强区竖向构件按中震抗剪、抗弯不屈服的性能目标进行复核。补充大震作用下的弹塑性分析。

4、结语

利用减振粘滞阻尼器减振技术，使本工程抗震不利结构体系在罕遇地震作用下的地震反应明显降低，尤其是扭转地震反应降低了42%，达到了国家规范的要求。可见引入消能减震装置，消耗了结构的振动能量，能有效地降低结构的地震响应，提高了结构的抗震能力。

参考文献

[1]周云.粘滞阻尼减震结构设计[M].武汉:武汉理工大学出版社，2006.

[2]徐培福，黄吉锋，韦承基.高层建筑结构的扭转反应控制[J].土木工程学报，2006，39(7):1-8.