传统的结构抗震是通过增大结构的抗力来抵御地震作用,同时要求结构要有足够的延性,通过构件屈服后的塑性变形来耗散地震能量。然而,按传统抗震设计的结构在超大震的作用下,主体结构会遭到严重破坏,其难以修复继续使用,内部装修及设备损坏,会造成极大的经济损失。合理有效的抗震途径是对结构安装减震设备,由减震设备和主体结构共同承担地震作用,以减轻结构的地震反应。

　　 铅黏弹性阻尼器是一种同时利用铅芯挤压以及剪切变形耗能和黏弹性材料滞回耗能的减震装置 ^[1]。利用其屈服强度低、延性好等特点,能够比主体结构更早进入屈服状态,从而可以利用阻尼器屈服后的累积塑性变形来耗散地震能量,具有刚度大、延性好以及材料利用率高等优点。周云教授 ^[2,3]分析研究了温度、频率、应变幅值和黏弹性材料厚度对铅黏弹性阻尼器性能的影响,同时对铅黏弹性阻尼器进行了低周疲劳试验和大变形试验。结果表明,该阻尼器具有较大的阻尼性能和变形能力。目前,铅黏弹性阻尼器已经在我国多项实际工程中得到了应用 ^[3,4]。邓雪松等 ^[5,6]以扭转超限的偏心结构为背景,应用铅黏弹性阻尼器作为扭转控制方案,设置阻尼器能够提高结构的抗扭刚度,有效衰减结构的扭转反应。张超等 ^[7]对设有铅黏弹性阻尼器的某框架结构进行了多遇地震和罕遇地震下的动力时程分析,结果表明,在小震下,阻尼器能够为结构提供一定的附加阻尼比,从而能够控制结构的地震响应;在大震下,阻尼器能够充分耗能,减轻结构的塑性变形。

　　 本文以为高烈度地区某学校框架结构教学楼为例,应用PERFORM 3D软件对减震结构进行弹塑性时程分析,评价铅黏弹性阻尼器在罕遇地震下的减震效果,并且采取有效构造措施以防止阻尼器在平面外发生破坏。

　　 工程位于云南省,建筑用途为学校教学楼。建筑高度为22.00m,上部结构为5层,首层层高为6m,其余各层层高均为4m,结构形式为框架结构。抗震设防烈度为8度(0.2g),地震分组为第三组,建筑场地类别为Ⅱ类,框架抗震等级为二级。由于本工程位于高烈度区,应充分重视罕遇地震下结构的安全,拟采用减震设计加强结构的抗震性能。

　　 本工程共采用92组铅黏弹性阻尼器,其中LVD1型有54组,屈服力为400kN,屈服位移为1.00mm;LVD2型有38组,屈服力为600kN,屈服位移为1.20mm;两种型号的阻尼器屈服后刚度比均为0.02。本工程所采用的铅黏弹性阻尼器大样图见图1。

　　 依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[8](简称《抗规》)要求,在采用时程分析时,应按照场地类别和设计地震分组选用强震记录和人工模拟的加速度时程曲线,其中实际强震记录不少于总数的2/3。本工程选取了2条天然波和1条人工波,计算所得结构底部剪力均满足《抗规》要求。三条地震波的加速度时程曲线如图2所示。

　　 采用PERFORM 3D软件对结构进行大震性能评估。图3给出了PERFORM 3D减震模型,模型中所采用的配筋均为PKPM中计算出来的配筋,与PKPM模型的质量和周期对比如表1所示。由表1可以看出,两组模型的质量及前3阶周期误差在10%以内,可以满足分析要求。

　　 根据地勘报告描述,工程所在地处于边坡边缘,工程建设场地属于地震不利地段。根据《抗规》有关规定,应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用 ^[8],边坡不利地段增大系数取1.3,罕遇地震时程分析所用的加速度峰值考虑边坡放大系数,取520cm/s²。

　　 本工程构件类别主要有梁、柱、铅黏弹性阻尼器。梁、柱和铅黏弹性阻尼器的弯曲或剪切破坏采用集中塑性铰进行模拟,梁采用弯矩-曲率(M-ϕ)铰;柱采用P-M-M轴力-双向弯矩铰模型,梁、柱组件模型见图4。

　　 铅黏弹性阻尼器的组件模型如图5所示,中部的剪力铰采用截面为100mm×100mm的弹性梁与连接墙或支撑连接。

　　 以屈服力为400kN、屈服位移为1.00mm的阻尼器为例,剪力铰阻尼力-位移曲线如图6所示。

　　 三条地震波作用下减震结构与非减震结构的弹塑性层间位移角如图7所示,图中楼层数据包括地梁层与局部出屋面。从图7中可以看出,减震结构在大震下的变形较原结构有了明显改善,其弹塑性层间位移角最大值满足云南地区大震不破坏的限值1/80要求,且小于非减震结构层间位移角最大值的75%。表明阻尼器对结构有良好的减震效果。

　　 本工程在大震下的抗震性能目标为框架梁处于有限安全性能段(即小于CP性能点),框架柱应处于破坏控制性能段(即小于LS性能点)。天然波1X作用下减震前后框架梁、柱出铰情况如图8,9所示,由图8,9可以看出,减震结构框架梁、柱的最大塑性变形处于破坏控制性能段(即小于LS性能点),满足所设定的抗震性能目标。

　　 在罕遇地震作用下,结构的能量平衡图如图10所示,图中A代表塑性耗能,B代表刚度阻尼耗能,C代表质量阻尼耗能,其中塑性总耗能(包括阻尼器的耗能)约占地震输入总能量的55%,铅黏弹性阻尼器的耗能约占塑性总耗能的70%。

　　 铅黏弹性阻尼器的弹塑性滞回曲线遵循双线性模型,图11给出了天然波1X作用下某阻尼器的滞回曲线。由图11可以看出,大震下阻尼器X向滞回曲线与双线性模型基本吻合,滞回曲线均匀饱满,说明阻尼器能够充分耗能。

　　 由于铅黏弹性阻尼器的钢板与橡胶黏结强度较小,在双向地震作用下容易发生平面外受损导致其耗能性能下降。因此,本工程对阻尼器常规连接时的平面外受力情况进行了验算。根据阻尼器常规构造,在PERFORM 3D中设置阻尼器平面外刚度为10kN/mm。可以得出阻尼器在三条地震波作用下平面外的最大剪力为92.06kN。在平面外剪力作用下,阻尼器钢板与橡胶黏结处最大剪应力为5.75MPa,大于钢板与橡胶之间黏结界面的抗剪强度3.75MPa。为了防止在大震下钢板与橡胶脱开,影响阻尼器的正常工作,需要采取构造措施解决。具体做法为:阻尼器与连接墙采用螺栓连接,螺栓孔采用长圆孔,阻尼器在面内方向正常受力,而在面外方向可滑动,从而达到释放阻尼器面外内力的目的。

　　 采用PERFORM 3D有限元分析软件对减震结构和非减震结构进行8度(0.2g)罕遇地震作用下的工作性能计算分析,得出以下主要结论:

　　 (1)在罕遇地震作用下,增设铅黏弹性阻尼器可以使得结构具有良好的抗震性能。最大弹塑性层间位移角均小于规范限值并且小于非减震结构的75%,框架梁、柱塑性铰均小于LS性能点,实现了结构“大震不倒”的抗震设防目标。

　　 (2)铅黏弹性阻尼器在大震下能够正常工作并发挥耗散能量的作用,使结构的抗震性能得到了较大提升,从而减轻了主要结构构件的损伤。

　　 (3)通过合理的构造措施释放阻尼器平面外内力,可以避免阻尼器在大震下钢板与橡胶脱开造成阻尼器性能受损。