軟鋼阻尼器對高層鋼筋混凝土框架的減震分析①

駱春鋒，施衛(wèi)星，高 溪

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

0 引言

普通結(jié)構(gòu)有梁、板、柱、墻等構(gòu)件，在大地震作用下，構(gòu)件吸收的能量巨大，使其進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，嚴(yán)重的甚至屈服、破壞.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震是通過增加結(jié)構(gòu)本身的抗震性能(強(qiáng)度、剛度、延性)來抵御地震作用的，即由結(jié)構(gòu)本身儲存和消耗地震能量，這是被動消極的抗震對策［1］.結(jié)構(gòu)減震控制是一條合理有效的抗震途徑.耗能減震技術(shù)通過在房屋的某些部位設(shè)置耗能器，在大震作用下，消能器率先屈服并耗散大量輸入結(jié)構(gòu)的能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu).

自1972年Kelly等人［2］首先提出金屬屈服耗能器以來，已經(jīng)有大量的阻尼器被研制出來，其中軟鋼阻尼器是目前國內(nèi)外廣泛研究的各種耗能器中，構(gòu)造簡單、造價低廉、力學(xué)模型明確的一種被動耗能裝置，屈服后在反復(fù)循環(huán)荷載作用下仍具有穩(wěn)定的滯回特性［3］.軟鋼阻尼器通常通過支撐設(shè)置在結(jié)構(gòu)的層間或者設(shè)置在剪力墻墻體中.

軟鋼阻尼器在高層混凝土框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還較少，本文首先介紹了軟鋼阻尼器的研究方法，然后運(yùn)用SAP2000軟件建立有限元模型，對設(shè)置了軟鋼阻尼器的高層混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析，研究軟鋼阻尼器在大震時的減震效果和特點(diǎn)，為工程設(shè)計人員做相關(guān)設(shè)計提供參考.

1 軟鋼阻尼器的恢復(fù)力模型

當(dāng)阻尼器的鋼板發(fā)生塑性變形時，就能消耗地震的能量，提供給結(jié)構(gòu)物阻尼.如下圖1所示，荷載位移曲線所包含的面積，即為其在變形過程中所消耗的能量.

圖1 某軟鋼阻尼器受往復(fù)荷載時的荷載－位移曲線

圖2 雙線性模型

目前軟鋼阻尼器常用的恢復(fù)力模型有雙線性模型、Ramberg－Osgood模型和Bouc－Wen模型.由于雙線性模型表達(dá)簡單，物理意義清晰，所以目前工程中應(yīng)用此模型較多［4］.圖2給出了雙線性模型，它是在圖1的滯回曲線基礎(chǔ)上簡化得到的.

2 動力時程分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)

分析模型為10層3跨的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高均為3.5m，各跨均為7m，柱截面為550mm×550mm，梁采用 300mm×700mm，樓板厚120mm.混凝土強(qiáng)度 C35，軟鋼阻尼器屈服力取300kN，初始剛度750kN/mm，屈服后耗能器剛度比取0.025，軟鋼阻尼器用鋼支撐布置在X向?qū)娱g，每層一個，鋼支撐采用 Q235的型鋼，截面為HW300×300×10×15.結(jié)構(gòu)布置圖如圖3.

結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度0.2 g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，樓面附加恒荷載4kN/m2，活荷載2.5kN/m2.

圖3 框架結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 地震波選取

根據(jù)場地要求，選?、蝾悎龅厣铣Ｓ玫腅l Centro波.根據(jù)《建筑抗震規(guī)范》［5］對 8度區(qū)罕遇地震下地震波峰值加速度的要求，調(diào)整地震波的峰值為4m/s2.為了進(jìn)行比較，分別對上述安裝有阻尼器的有控結(jié)構(gòu)和未裝阻尼器的無控結(jié)構(gòu)X向輸入El Centro波.

2.3 計算結(jié)果分析

國家正在著手出臺《結(jié)構(gòu)振動控制設(shè)計規(guī)程》，它規(guī)定對結(jié)構(gòu)抗震控制效果評價指標(biāo)一共有12個，其中反應(yīng)峰值的評價指標(biāo)有4個，分別是J1，J2，J3，J4.J1表示有控結(jié)構(gòu)所有樓層中最大位移反應(yīng)與無控結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的位移反應(yīng)的比值，J2表示有控結(jié)構(gòu)所有層間位移轉(zhuǎn)角的最大值與無控結(jié)構(gòu)層間位移轉(zhuǎn)角的最大值的比值，J3表示有控結(jié)構(gòu)所有樓層中最大加速度反應(yīng)與無控結(jié)構(gòu)的最大加速度反應(yīng)的比值，J4表示有控結(jié)構(gòu)所受的地震慣性力的最大值與無控結(jié)構(gòu)的最大基地剪力的比值.下面的的計算結(jié)果分析中將涉及到這4個評價指標(biāo).

2.3.1 自振特性分析

結(jié)構(gòu)加阻尼器前后的X向前三階振型周期如表1.從表中可以看出加了阻尼器后結(jié)構(gòu)剛度增加，故而周期有所減小.

表1 結(jié)構(gòu)X向振型周期

2.3.2 位移與加速度分析

將無控結(jié)構(gòu)和有控結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移和加速度時程曲線畫出如圖4－圖5所示.

圖4 安裝阻尼器前后頂點(diǎn)位移曲線

圖5 安裝阻尼器前后頂點(diǎn)加速度曲線

圖4可以看出，加設(shè)軟鋼阻尼器后，結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)明顯減小，而且衰減速度特別快.這說明阻尼器給結(jié)構(gòu)附加了剛度和阻尼，明顯增加了結(jié)構(gòu)的耗能能力，達(dá)到了對結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行控制的目的.加設(shè)阻尼器前結(jié)構(gòu)的最大位移為0.2009m，加了阻尼器后，結(jié)構(gòu)的最大位移降為0.1112m，J1=0.55，可見軟鋼阻尼器能大大降低結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的位移反應(yīng).

圖5可以看出，加設(shè)軟鋼阻尼器后，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)加速度減小程度雖然不是很大，但是從整個時間歷程來看，還是有明顯的作用，特別是在前期，減震效果比較明顯.無控結(jié)構(gòu)的最大加速度為6.04m/s2，動力放大系數(shù)為1.51，有控結(jié)構(gòu)的最大加速度為4.54 m/s2，動力放大系數(shù)降為1.14，J3=0.75，兩者出現(xiàn)的時間基本相同.

畫出結(jié)構(gòu)各層層間位移角如圖6，各層位移和絕對加速度的包絡(luò)圖如圖7－圖8.

圖6 安裝阻尼器前后層間位移角

圖6可以知道，J2=0.53，軟鋼阻尼器可以顯著減小樓層的層間位移，且相鄰樓層的層間位移角的差值減小，這樣有利于樓層整體受力，避免薄弱層的出現(xiàn)，適用于薄弱層的抗震設(shè)計［6］.

圖7 安裝阻尼器前后位移包絡(luò)圖

從圖7可以明顯看出有控結(jié)構(gòu)的樓層位移比無控結(jié)構(gòu)有明顯的減小，效果十分顯著.從圖8易知加設(shè)軟鋼阻尼器后，除頂層外，其余各層的最大加速度均小于輸入地震波的最大峰值，表現(xiàn)出明顯的減震作用.而未加設(shè)阻尼器的結(jié)構(gòu)大多數(shù)樓層的最大加速度都呈現(xiàn)放大效應(yīng).

2.3.3 樓層層間最大剪力分析

圖9為在El Centro波(峰值加速度為4 m/s2)作用下，結(jié)構(gòu)安裝軟鋼阻尼器前后各樓層的層間最大剪力圖.

圖8 安裝阻尼器前后加速度包絡(luò)圖

圖9 安裝阻尼器前后樓層最大剪力

從圖中可以看出，J4=0.80，樓層層間最大剪力隨層間剛度的增大而增大，結(jié)構(gòu)每層的剛度基本相同，樓層越高層間剛度越小，所以層間最大剪力隨樓層的高度增加而減小.安裝阻尼器后，結(jié)構(gòu)各層的剪力均明顯下降，且越接近底層下降的越多.說明在一定范圍內(nèi)，層間剛度越大，阻尼器減震效果越好.這是由于軟鋼阻尼器使層間剛度變大，水平位移減小，P－△重力二階效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響減小，故接近底層剪力值增加量下降.

3 結(jié)論

通過對一幢10層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)輸入罕遇地震下的地震波，對比加設(shè)軟鋼阻尼器前后結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的反應(yīng)，包括自振周期、位移、加速度、層間剪力等，得到以下結(jié)論:

(1)在合理設(shè)計下，軟鋼阻尼器對結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的各項地震反應(yīng)均有良好的減震效果，特別是對位移的控制明顯，適用于薄弱層的抗震設(shè)計.

(2)軟鋼阻尼器能增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，特別是通過減小結(jié)構(gòu)底部的水平位移，可以弱化P－△重力二階效應(yīng)對結(jié)構(gòu)底部的不利影響.

(3)通過動力時程分析表明，鋼筋混凝土高層框架結(jié)構(gòu)適用于采用軟鋼阻尼器進(jìn)行減震設(shè)計，其性能可靠，構(gòu)造簡單，具有很好的應(yīng)用價值.

［1］周云.金屬耗能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2006:1.

［2］Kelly J M，Skinner R I，Heine A J.Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］.Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63－88.

［3］李鋼，李宏男.新型軟鋼阻尼器的減震性能研究［J］.振動與沖擊，2006，25(3):66－72.

［4］朱旭東，呂西林，徐崇恩.軟鋼阻尼器基于Bouc－Wen模型的參數(shù)識別研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2011，27(5):124－128.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］李中軍，李鋼，李宏男，邢福國.消能減振技術(shù)在結(jié)構(gòu)薄弱層中的應(yīng)用［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2010，26(3):110－115.