復(fù)合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震分析

陳瑞雪 邢國(guó)雷 薛 濤

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

復(fù)合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震分析

陳瑞雪 邢國(guó)雷 薛 濤

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

通過對(duì)某高層建筑的數(shù)值仿真分析，研究了復(fù)合金屬阻尼器在高層建筑中的受力特點(diǎn)和應(yīng)用效果，指出經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)和布置，高層建筑層間位移角明顯減小，墻與連梁的破壞程度減小，達(dá)到了良好的耗能減震效果，復(fù)合金屬阻尼器可有效提高高層建筑的抗震性能。

復(fù)合金屬阻尼器，消能減震，高層建筑，剪力墻結(jié)構(gòu)

0 引言

近年來，消能減震技術(shù)在工程中的應(yīng)用日益廣泛。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法的局限性，可以有效地改善結(jié)構(gòu)抗震性能、減小地震反應(yīng)[1]。通過將地震輸入建筑物的能量引向特別設(shè)置的機(jī)構(gòu)或元件加以吸收和耗散，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。

常用的消能裝置(也稱為耗能器、阻尼器)根據(jù)消能機(jī)理不同主要分為速度、位移相關(guān)型兩種[2]。前一種分為粘滯消能器和粘彈性消能器；后一種分為摩擦消能器與金屬消能器[3]。其中金屬消能器主要分為復(fù)合金屬、軟鋼阻尼器。由于摩擦耗能器取決于結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來發(fā)揮其功能，具有一定局限性，相對(duì)而言，無論是在制作成本，結(jié)構(gòu)構(gòu)造還是在耗能能力上，復(fù)合金屬阻尼器的表現(xiàn)更好[4]，所以在工程應(yīng)用上越來越普遍。

如今，高層建筑日益普遍，而采用剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅約占高層住宅的90%[5]。對(duì)于高層剪力墻結(jié)構(gòu)的消能減震的需求愈來愈大。已有許多學(xué)者研究了改善剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的方法。已有研究主要集中在設(shè)縫和耗能裝置等方面，比如帶縫耗能剪力墻[6]、組合填充耗能剪力墻[7]及搖擺耗能剪力墻[8]等，相比于普通剪力墻結(jié)構(gòu)的延性、滯回性能均有明顯優(yōu)化。這些方法有其合理性，但施工較麻煩。

本文通過在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中布置復(fù)合金屬阻尼器，分析了復(fù)合金屬阻尼器的耗能性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中有良好的耗能減震效果。

1 工程應(yīng)用

1.1 復(fù)合金屬阻尼器

計(jì)算過程中，復(fù)合金屬阻尼器采用雙線型模型進(jìn)行模擬，如圖1所示。可以看到，雙線型模型包括彈性剛度(k1)、第二剛度(k2)和屈服強(qiáng)度(fy)3個(gè)計(jì)算參數(shù)。

1.2 工程概況

某工程結(jié)構(gòu)為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地下2層，地上31層，總高度97.65 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.20g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為三類，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)一級(jí)，基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2。本文通過利用SAP2000和PERFORM-3D有限元軟件對(duì)該工程進(jìn)行裝與不裝阻尼器兩種情況下的模態(tài)分析和地震時(shí)程反應(yīng)分析。

1.3 阻尼器的布置、參數(shù)設(shè)置

根據(jù)消能元件的布置原則和圍護(hù)原則，對(duì)于該高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，采用附加墻的方式布置復(fù)合金屬阻尼器。采用混凝土墻體作為阻尼器的支撐，這樣不僅能提高支撐剛度，還不破壞墻體自身的建筑功能?？紤]到結(jié)構(gòu)形式和建筑格局等因素，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后最終布置了100個(gè)阻尼器，沿2層～26層在X向、Y向每層各布置2個(gè)。

對(duì)比幾種軟件模型分析結(jié)果可知該有限元模型是合理可行的，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)前6階周期對(duì)比

2 結(jié)果分析

文章選取兩條三類場(chǎng)地波LWD_90波、namjyeong-2和一條基于場(chǎng)地類別和地震分組生成的人工波。

2.1 結(jié)構(gòu)彈性地震響應(yīng)分析

首先采用有限元軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行8度小震、8度中震下的地震響應(yīng)分析，通過對(duì)消能阻尼器的動(dòng)力參數(shù)、布設(shè)位置和數(shù)量反復(fù)試算、優(yōu)化調(diào)整，考察結(jié)構(gòu)減震前后的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)變化，分析阻尼器減震效果。

在小震作用下結(jié)構(gòu)變形較小，進(jìn)入屈服階段的阻尼器數(shù)量有限，阻尼器基本沒有發(fā)揮其耗能，此時(shí)主要考慮阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)提供的附加剛度。

由圖2可知，8度設(shè)防地震作用下，該結(jié)構(gòu)層間位移超出彈性限值，但距塑性限值相差較遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)主體基本處于彈性狀態(tài)。安裝阻尼器之后，結(jié)構(gòu)整體剛度提高不少，各層層間位移角普遍減小，X向降幅隨層高呈現(xiàn)先大后小的趨勢(shì)，Y向降幅隨層高而增大。安裝復(fù)合金屬阻尼器后，結(jié)構(gòu)的水平變形得到了明顯的控制。從阻尼器的滯回曲線看出(見圖3)，此工況下大部分阻尼器已經(jīng)進(jìn)入屈服階段來消耗地震能量。

2.2 結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)分析

在9度中震作用下，提取響應(yīng)最為明顯的人工波工況下結(jié)構(gòu)層間位移角(見圖4)。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，安裝阻尼器后結(jié)構(gòu)各層層間位移角均有變小，X向?qū)娱g位移角平均減震率達(dá)到6.0%，隨樓層的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。而Y向?qū)娱g位移角平均減震率達(dá)到了11.5%，隨樓層的增加效果愈好。

剪力墻作為結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線也不容忽視，故提取減震前變形最大的剪力墻的轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線，與減震后該墻肢進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖中可知，減震前該墻肢的最大轉(zhuǎn)角為0.005 4，減震后轉(zhuǎn)角變?yōu)?.004 2，減小了23.2%。

對(duì)模型進(jìn)行9度罕遇地震下的彈塑性分析，得到各時(shí)程作用下結(jié)構(gòu)層間位移角，如圖6所示。在此工況下，原模型在人工波作用下最大層間位移角為1/100，超過規(guī)范限制。而減震模型在各時(shí)程波下的層間位移角均降幅明顯，并且樓層高度越大效果越好，達(dá)到規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)X向平均減震率為25.4%，Y向?yàn)?4.6%。

基底剪力為反映結(jié)構(gòu)在地震過程中承受的總地震力大小的宏觀指標(biāo)。分析結(jié)果顯示，由結(jié)構(gòu)在減震后X方向平均底部剪力減小了6.7%，Y方向減小了18.7%。如圖7所示，選取的剪力墻在原模型荷載作用下已然破壞，最大壓應(yīng)變達(dá)到1 885 με,而減震模型中對(duì)應(yīng)剪力墻最大壓應(yīng)變?yōu)? 543 με,降低了18.2%。

3 結(jié)語(yǔ)

1)復(fù)合金屬阻尼器的滯回曲線飽滿，耗能性能好。在小震下既能提供附加剛度與附加阻尼，在大震下其耗能又穩(wěn)定，減震效果明顯。

2)彈性分析表明，結(jié)構(gòu)主體基本處于彈性階段，在8度設(shè)防地震作用下大部分阻尼器進(jìn)入屈服階段開始消耗地震能量。

3)彈塑性分析表明，對(duì)結(jié)構(gòu)在9度設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析表明，減震后結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件剪力墻的變形都控制在LS(生命安全)狀態(tài)，阻尼器起到了明顯的減震效果，滿足規(guī)范中“中震可修”的設(shè)防要求。

4)對(duì)結(jié)構(gòu)在9度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析表明，減震后結(jié)構(gòu)能達(dá)到規(guī)范側(cè)移要求，在經(jīng)歷相當(dāng)于9度罕遇水平地震荷載作用下混凝土的壓應(yīng)變能夠控制在峰值應(yīng)變之內(nèi)，滿足規(guī)范中“大震不倒”的設(shè)防要求。

[1] 周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[2] GB 50011—2012,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] Soong T T，Dargush G F.Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering,1997.

[4] 晏曉彤，袁 波.金屬阻尼器的滯回性能分析[J].工業(yè)建筑,2014,44(1):49-53,137.

[5] 譚 平,周福霖.隔振技術(shù)的研究與工程應(yīng)用[J].施工技術(shù),2008,37(10):5-8,42.

[6] Ohmori N,Tooyama K,Takeshi T,et al.Studies Reinforced Concrete Slit Walls,1966.

[7] Xia Z M，Naaman A E.Behavior and Modeling of Infill Fiber-reinforced Concrete Damper Element for Steel concrete Shear all[J].ACI Structural Journal,2002(99):727-739.

[8] Ajrab J J,Pekcan G,Mander J B.Rocking Wall-Frame Structures with Supplemental Tendon Systems[J].Journal of Structural Engineering，2004(130):895-903.

On anti-seismic analysis of composite metal damper in high-rise buildings

Chen Ruixue Xing Guolei Xue Tao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

According to the numeric simulation analysis of some high-rise building, the paper researches the stressed features and application of the composite metal damper in high-rise buildings, points out the displacement angles among the buildings are evidently reduced and the damages between walls and beams are relieved, indicates it has better energy dissipation and seismic mitigation effect, and illustrates the damper can improve the anti-seismic performance of high-rise buildings.

composite metal damper, energy dissipation and seismic mitigation, high-rise building, shearing wall structure

1009-6825(2015)32-0045-03

2015-09-07

陳瑞雪(1988- )，女，工程師； 邢國(guó)雷(1977- )，男，高級(jí)工程師； 薛 濤(1987- )，男，助理工程師

TU352

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