0 引言

　　 近年来,随着我国经济社会的不断发展,“建筑工业化、住宅产业化”发展进程逐步加快,行业相关发展目标和方针政策相继出台,装配式建筑、绿色建筑和减隔震技术等得到国家和地方的大力支持。黏滞阻尼墙作为一种高效的消能减震装置 ^[1,2],安装便捷、绿色环保,符合建筑工业化发展理念。同时其厚度相对较薄、布置灵活,几乎不占用建筑内部使用空间,相比其他类型阻尼器更适合应用于高层住宅结构 ^[3]。黏滞阻尼墙制造技术相对复杂,精度要求较高,目前国内生产厂家较少,国内应用也多为框架结构和框剪结构,已有应用还有很多关键问题的研究不够全面和深入 ^[4,5,6,7]。本文通过一工程实例来分析说明黏滞阻尼墙在高层住宅中的研究与应用。

1 工程概况

　　 图1 工程鸟瞰图   

　　  

　　 工程位于天津市滨海新区,主要建筑功能为住宅,总建筑面积为428 056m²,其中地上建筑面积为309 312m²,工程鸟瞰图如图1所示。典型住宅楼为钢筋混凝土剪力墙结构,地下2层,地上34层,标准层层高为2.9m,主体结构总高度为98.900m,地上建筑面积约14 200m²,标准层结构平面图如图2所示。依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[8](简称抗规)及勘察报告,本场区地震抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.2g,设计地震分组为第二组,场地土类别为Ⅳ类。

　　 图2 标准层结构平面图  

　　  

2 消能减震结构方案

　　 采用传统剪力墙结构方案时,底部剪力墙厚度需要做到350mm厚。为有效控制剪力墙厚度、增加建筑使用面积及提高抗震性能,本工程选用黏滞阻尼墙作为消能减震构件,结构目标附加阻尼比为2.5%。黏滞阻尼墙由固定于楼面梁上的箱式薄墙片和固定于墙顶楼面梁并插入箱式薄墙内的钢板组成,墙片内灌入高粘性的黏滞材料。当楼层发生相对位移或速度时,钢板在箱式薄墙内的黏滞材料中滑动,通过黏滞阻尼消耗地震能量,从而减小结构的地震反应 ^[9]。黏滞阻尼墙安装示意图如图3所示。

　　 图3 阻尼墙安装示意图 

　　  

2.1 抗震性能目标

　　 本工程为规则结构,依据抗规、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[10](简称高规)、《建筑消能减震技术规程》(JGJ 297—2013) ^[11]、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号) ^[12]和《天津市超限高层建筑工程设计要点》(2016修订版) ^[13]有关规定,确定本工程相关构件的性能化设计目标为:结构多遇地震弹性,满足罕遇地震下与黏滞阻尼墙相连的子结构为“中度损坏”。消能子结构是指与消能部件直接连接的主体结构单元。针对剪力墙结构,本工程设定子结构为与阻尼墙相连的剪力墙暗柱及梁。

2.2 阻尼墙布置方案

　　 本工程沿结构的两个主轴方向分别设置阻尼墙,其数量、型号、位置通过多轮时程分析进行优化调整后确定。根据建筑设计图、结构布置图和设计分析结果,确定在3层、4～34层(偶数层)的适当位置布置黏滞阻尼墙。全楼总计布置68道阻尼墙,X向布置34个,Y向布置34个。结构整体模型如图4所示,阻尼墙立面布置及平面位置布置如图5,6所示。主要结构构件截面尺寸如表1所示,阻尼墙参数如表2所示。

　　 图4 结构三维模型图   

　　  

　　 图5 阻尼墙立面布置图  

　　  

　　 图6 阻尼墙平面位置布置图   

　　  

　　 剪力墙结构主要截面尺寸 表1

楼层	剪力墙厚度/mm	连梁高度/mm	端柱截面/mm
地下室	300,250,200	900,400	750×800
首层	250,200	400,700	750×800
2～34层	250,200	400,700	750×800
机房层	200	500,400	—

 

　　  

　　 3,4～34层(偶数层)阻尼墙性能参数 表2

阻尼器	阻尼系数 /kN/(m/s)α	阻尼指数 α	最大阻尼力 /kN	行程 /mm	数量 /套
VFW-X	1 600	0.35	800	±60	34
VFW-Y	1 600	0.35	800	±60	34
总计					68

 

　　  

3 多遇地震作用分析

　　 主要采用ETABS软件,通过弹性时程分析法对结构进行多遇地震下的反应分析,对结构所采用的等效阻尼比进行验算,并分析减震效果。弹性时程分析共选取5条天然波和2条人工波,黏滞阻尼墙采用Maxwell模型进行模拟。

3.1 等效阻尼比验证

　　 依据抗规,当消能减震结构主体基本处于弹性工作阶段时,可采用线性分析方法作简化估算,消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和。其中确定消能部件附加给结构的有效阻尼比是消能减震设计的关键。目前附加阻尼比常用的计算方法有规范法、能量比法、响应衰减法、减震系数法 ^[14]。本文分别采用规范法和能量比法做了分析比较,具体计算结果见表3,4。从表3和表4中可看出,在多遇地震作用下,阻尼墙即发挥耗能作用,附加给结构的阻尼比均大于2.5%,说明其能够为结构提供2.5%的附加阻尼比,是多遇地震时结构的主要耗能构件。另外通过对比表3和表4中的附加阻尼比可看出,能量比法计算得到的附加阻尼比普遍大于规范法计算得到的附加阻尼比,说明采用规范法计算附加阻尼比是偏于保守的。

　　 规范法附加阻尼比 表3

地震波	方向	阻尼墙阻尼能 /(kN·m)	结构总应变能 /(kN·m)	附加 阻尼比
天然波1	X向	106	322	2.60%
	Y向	140	207	5.40%
天然波2	X向	98	154	5.10%
	Y向	95	89	8.60%
天然波3	X向	80	233	2.70%
	Y向	131	187	5.60%
天然波4	X向	87	220	3.10%
	Y向	91	90	8.10%
天然波5	X向	65	146	3.50%
	Y向	62	60	8.20%
人工波1	X向	72	207	2.80%
	Y向	103	136	6.00%
人工波2	X向	65	191	2.70%
	Y向	89	98	7.20%

 

　　  

　　 能量比法附加阻尼比 表4

地震波	方向	输入总能量 /(kN·m)	模态阻尼能 /(kN·m)	阻尼墙阻尼能 /(kN·m)	附加 阻尼比
天然波1	X向	1 592	889	671	3.80%
	Y向	1 443	584	854	7.30%
天然波2	X向	1 092	578	514	4.40%
	Y向	924	328	595	9.10%
天然波3	X向	1 267	740	520	3.50%
	Y向	861	333	527	7.90%
天然波4	X向	1 341	771	570	3.70%
	Y向	956	350	606	8.70%
天然波5	X向	869	492	376	3.80%
	Y向	468	160	307	9.60%
人工波1	X向	609	330	279	4.20%
	Y向	542	196	346	8.80%
人工波2	X向	747	407	332	4.10%
	Y向	606	215	391	9.10%

 

　　  

3.2 阻尼墙耗能分析

　　 分别选取3,34层X,Y向的阻尼器,绘制其滞回曲线,如图7所示。由图7可看出,黏滞阻尼墙滞回曲线整体较饱满,Y向阻尼墙相比X向阻尼墙耗能更明显,低区相比高区耗能也更明显。本文对设置阻尼墙结构和未设置阻尼墙结构进行了减震对比分析,各地震波作用下平均楼层剪力和平均层间位移角减震前后对比分别如图8、图9所示。从图8和图9可看出,结构X向基底剪力平均减震率约22%,Y向基底剪力平均减震率约31%(取7条波的平均值),说明黏滞阻尼墙具有良好的减震效果。结构X,Y向层间位移角平均减震率能达到20%,满足多遇地震作用下弹性层间位移角限值要求。

　　 图7 多遇地震作用下阻尼墙滞回曲线   

　　  

　　 图8 减震前后楼层剪力对比   

　　  

　　 图9 减震前后层间位移角对比   

　　  

4 罕遇地震作用分析

　　 采用SAUSAGE软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。选取2条天然波和1条人工波,黏滞阻尼墙采用Kelvin模型进行模拟。

4.1 整体计算结果

　　 2条天然波和1条人工波作用下结构的最大顶点位移和层间位移角如表5所示。根据抗规表5.5.5规定,剪力墙结构弹塑性层间位移角的限值为1/120。由表5可见,地震输入以X向为主时,结构X向最大层间位移角为1/150; 地震输入以Y向为主时,结构Y向最大层间位移角为1/171,均小于规范限值。

　　 结构各方向最大顶点位移和层间位移角 表5

地震波	主方向	最大顶点位移/m	最大层间位移角	位移角对应层号
人工波1	X向	0.451	1/150	7
	Y向	0.422	1/185	24
天然波1	X向	0.273	1/251	25
	Y向	0.324	1/180	34
天然波2	X向	0.413	1/189	19
	Y向	0.461	1/171	20

 

　　  

　　 2条天然波和1条人工波作用下,结构在罕遇地震与多遇地震作用下各方向基底剪力对比如表6所示。可以看出,罕遇地震下基底剪力与多遇地震下基底剪力比值的平均值约3.4,说明阻尼墙发挥了一定的耗能作用,减小了地震力。

　　 罕遇地震与多遇地震作用下基底剪力对比 表6

地震波	主方向	罕遇地震下 基底剪力/kN	多遇地震下 基底剪力/kN	比值
人工波1	X向	35 100	10 300	3.4
	Y向	40 900	10 200	4.0
天然波1	X向	27 100	10 400	2.6
	Y向	34 300	9 500	3.6
天然波2	X向	29 200	9 700	3.0
	Y向	34 600	9 600	3.6

 

　　 注:比值为罕遇地震下基底剪力与多遇地震下基底剪力的比值。

　　  

4.2 阻尼墙耗能分析

　　 罕遇地震作用下由阻尼墙提供的附加阻尼比如表7所示。为分析阻尼墙在罕遇地震作用下的耗能能力,分别选择3,34层X,Y向各一片阻尼墙进行滞回耗能分析,阻尼墙滞回曲线如图10所示。可以看出,罕遇地震作用下黏滞阻尼墙发挥耗能作用较为充分。

　　 抗规第12.3.5条第4款要求消能器的极限位移不小于罕遇地震作用下消能器最大位移的1.2倍; 速度相关型消能器的极限速度应不小于地震作用下消能器最大速度的1.2倍,且消能器应满足在此极限速度下的承载力要求。另根据速度相关型阻尼器力学公式F=C×V^α可知(F为黏滞阻尼器阻尼力,C为阻尼系数,V为阻尼器的运动速度,α为阻尼的速度指数),消能器极限速度下的承载力应大于最大出力的1.066倍(1.2^0.35=1.066)。

　　 罕遇地震作用下阻尼墙提供的附加阻尼比 表7

地震波	人工波1		天然波1		天然波2
	X向	Y向	X向	Y向	X向	Y向
附加阻尼比	2.1%	2.2%	3.1%	3.3%	2.1%	2.3%

 

　　  

　　 图10 罕遇地震作用下阻尼墙滞回曲线   

　　  

　　 为保证阻尼墙在罕遇地震作用下的最大速度、最大力及最大位移满足规范限值要求,分析得到罕遇地震作用下所有阻尼墙中的最大速度、力和位移如表8所示。通过分析可知,罕遇地震作用下阻尼墙能够满足限值要求。

　　 罕遇地震作用下阻尼墙最大速度、力及位移 表8

项 目	人工波1		天然波1		天然波2		限 值
	X向	Y向	X向	Y向	X向	Y向
速度V/(m/s)	0.08	0.10	0.09	0.10	0.08	0.10	0.2
力F/kN	657	715	691	730	673	719	800
位移/mm	17.4	15.1	12.5	13.7	14.0	14.8	60

 

　　  

4.3 子结构性能评估

　　 图11给出了与阻尼墙相连消能子结构示意图,该消能子结构主要由与阻尼墙相连的梁和与连梁相连的暗柱组成。经过反复试算消能子结构损伤性能,确定消能子结构梁为钢骨混凝土梁,截面尺寸为250mm×700mm,3～25层内含H型钢(截面为H500×100×6×8), 26～34层内含钢板(截面为—400×6); 子结构暗柱截面尺寸为700mm×250mm,底层配筋率约为4%,并沿楼层升高,逐步过渡到2%。

　　 图11 消能子结构示意图  

　　  

　　 构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材(钢筋)的塑性应变程度作为评定标准,其与高规中构件的损坏程度对应关系如表9所示,表中数值为单元各性能水平指标上限值,各项指标取不利; 梁柱构件性能等级取单元性能等级最大值; 墙板构件性能等级取单元按面积加权平均后的性能等级。

　　 图12给出了罕遇地震作用下不同消能墙相连子结构的性能状态云图。从图12中可以看出,绝大部分子结构的构件性能均为“轻度损坏”,相比相邻未加强的墙体损伤更轻。底部楼层子结构梁存在少量“中度损坏”,而子结构暗柱亦存在少量“中度损坏”,满足预期性能目标。

　　 性能评价标准 表9

性能水平	钢筋(材) 塑性应变		混凝土受压 损伤系数		混凝土受拉 损伤系数
	梁柱	墙板	梁柱	墙板	梁柱	墙板
无损坏	0	0	0	0	0	0
轻微损坏	0.001	0.001	0.001	0.001	0.2	0.2
轻度损坏	1	1	0.001	0.001	1	1
中度损坏	3	3	0.2	0.2	1	1
重度损坏	6	6	0.6	0.6	1	1
严重损坏	12	12	0.8	0.8	1	1

 

　　  

　　 图12 罕遇地震下不同消能墙相连子结构性能状态   

　　  

5 结论

　　 (1)由多遇地震弹性时程分析结果可以看出,阻尼墙在多遇地震下即发挥耗能作用。采用规范法和能量比法计算了多遇地震的附加阻尼比,附加给结构的阻尼比均大于2.5%,可以满足设计假定。

　　 (2)减震效果分析显示在8度(0.2g)多遇地震作用下,X向基底剪力平均减震率约22%,Y向基底剪力平均减震率约31%(取7条波的平均值),黏滞阻尼墙具有良好的减震效果。X,Y向层间位移角平均减震率能达到20%,满足多遇地震作用下弹性层间位移角限值要求。

　　 (3)黏滞阻尼墙在罕遇地震下能够充分发挥耗散能量的作用,且各项指标满足规范要求,

　　 (4)本工程设定消能子结构为与阻尼墙相连的剪力墙暗柱及梁,并对消能子结构部分进行加强,通过弹塑性时程分析,消能子结构可以满足罕遇地震作用下“中度损坏”的性能目标。