超限高層框架結(jié)構采用粘滯消能減震支撐的抗震性能分析

任澤民，馬亞南，喬金麗，侯雙

（1.河北工業(yè)大學校園規(guī)劃處，天津 300401；2.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津 300401）

超限高層框架結(jié)構采用粘滯消能減震支撐的抗震性能分析

任澤民1，馬亞南2，喬金麗2，侯雙2

（1.河北工業(yè)大學校園規(guī)劃處，天津 300401；2.河北工業(yè)大學土木工程學院，天津 300401）

針對采用粘滯消能減震支撐的超限高層框架結(jié)構抗震性能的復雜性，為了提高超限高層的抗震性能，對天津市某高校超限圖書館結(jié)構設計中結(jié)構選型、消能減震支撐的選擇和布置進行反應譜和非線性時程的分析計算．分析結(jié)果表明消能減震支撐能有效地提高結(jié)構的抗震性能；粘滯阻尼器的數(shù)量不能決定消耗能量的多少，只有合理布置，才能更好地提高結(jié)構的抗震性能．

超限高層；框架結(jié)構；消能減震支撐；抗震性能

地震是一種突發(fā)性的破壞性極強的自然災害，傳統(tǒng)的抗震設計是通過增強結(jié)構本身的抗震性能來抵抗地震作用的，但是這種方法在安全性上難以保證，且經(jīng)濟性欠佳．因此，一種既安全，又經(jīng)濟、適用的新型工程結(jié)構——消能減震控制體系誕生了[1-2]，并且迅速應用到世界建筑中去[3-6]．這種體系主要通過在工程結(jié)構的特定部位，裝設某種裝置或某種機構（消能支撐、消能器等），或者某種子機構，或施加外力（外部能量輸入），以改變結(jié)構的動力特性或動力作用，使結(jié)構在地震作用下的動力反應得到合理控制，確保結(jié)構本身及結(jié)構中人和財產(chǎn)的安全[7]．

近20年，消能減震裝置被逐漸應用到我國的各種建筑中去[8]．同時也做了大量的研究[9-11]．為了進一步研究結(jié)構選型、消能減震支撐的選擇和布置對超限高層抗震性能，本文通過對天津某高校圖書館的結(jié)構模型進行有限元分析，旨在提高超限高層的抗震性能，為類似超限高層的抗震設計提供參考．

1 工程概況

本文采用某校圖書館的設計模型進行分析，該建筑地下1層，地上8層，標準層層高5.1 m，結(jié)構總高度40.5m，主樓平面外圍尺寸約74m×84m，東、西立面向外側(cè)傾角10°，建筑大部分樓層平面呈細腰的“工”字形，見圖1、圖2．抗震設防類別為丙類．本工程所在校區(qū)位于抗震設防7度（0.15g）分區(qū)，將地震峰值加速度提高至0.2g，并按8度采取抗震措施．

2 超限判別

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，本工程存在4項一般性不規(guī)則情況：1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；2）凹凸不規(guī)則；3）有細腰形或角部重疊形；4）尺寸突變．頂部樓層局部設斜吊桿，最大挑出長度5 m，不符合要求的豎向構件位置縮進大于25%或外挑大于10%和4 m的要求．結(jié)構總高度40.5 m，略超8度區(qū)框架結(jié)構高度限值40m．

圖1 圖書館標準層平面圖Fig.1 Thelibraryplanofstandardfloor

3 消能減震設計及布置

3.1 消能減震設計

本結(jié)構采用非線性粘滯流體阻尼器，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010），消能部件附加給結(jié)構的有效阻尼比可按下式估算：

式中：a為消能減震結(jié)構的附加有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結(jié)構層間位移uj；Wa為設置消能部件的結(jié)構在預期位移下的總應變能，對整體結(jié)構可按下式計算：

其中：Vj為樓層地震剪力；uj為層間位移．經(jīng)反應譜法試算，

確定結(jié)構阻尼比為0.12時，各項指標滿足規(guī)范要求．又因本結(jié)構

可提供自身阻尼0.04，阻尼器需提供的附加阻尼為0.08．根據(jù)抗震規(guī)范阻尼器附加阻尼比的計算方法，確定阻尼器參數(shù)見表1，數(shù)量見表2（結(jié)構Y方向阻尼器數(shù)量為0、0、5、5、3、4、3、3、0），阻尼器設置樓層為2～7層．其中B型阻尼器為節(jié)點型小型阻尼器，僅為提高細腰處結(jié)構構件抗震性能設置，整體結(jié)構附加阻尼比計算中未考慮其有利作用．

圖2 圖書館立面Fig.2 Thelibraryelevation

表1 粘滯流體阻尼器參數(shù)Tab.1 The parameters of Viscous fluid damper

同理，在結(jié)構Y方向布置阻尼器數(shù)量從1到9分別為：0、0、5、5、3、4、3、3、0，總計23個．

表2 結(jié)構X向粘滯流體阻尼器數(shù)量估算Tab.2 The number of Viscous fluid dam per's estimation in X

3.2 阻尼器的布置

按照阻尼器布置原則以及計算結(jié)果，分別設置不同數(shù)量的阻尼器進行對比，一種按計算的實際數(shù)量進行布置，此時結(jié)構的附加阻尼比為0. 076；另一種在2～7層均勻布置阻尼器，每層設置10個，附加阻尼比為0.08．分別設定為方案1、方案2，阻尼器布置分別見圖3、圖4．

4 反應譜分析結(jié)果

本工程結(jié)構構件的抗震承載力仍按目前我國設計規(guī)范方法考慮．表3為3種結(jié)構方案CQC法的計算結(jié)果．

表3 反應譜法的主要分析結(jié)果Tab.3 The main analysis results of CQC

從表3可以看出，原結(jié)構和方案1的最大層間位移角均大于規(guī)范要求的1/550，僅方案2滿足規(guī)范要求．阻尼比增大后的位移減小56%，首層地震剪力減小28%．

5 時程分析及結(jié)果對比

利用Etabs進行抗震分析，用Nlink單元中的Damper模擬黏滯阻尼器，阻尼器參數(shù)見上表．在進行時程分析時，選取2條天然波（TR1、TR2）和1條人工波（RG），并按主次方向1∶0.85的比例輸入．分析結(jié)果如表4～表6．

表4 原結(jié)構時程分析法計算結(jié)果Tab.4 The results of time history analysis method

圖3 方案1Fig.3 Plan1

圖4 方案2Fig.4 Plan2

通過對結(jié)果分析，1）原結(jié)構的層間位移角明顯不滿足國家抗震規(guī)范最大不能超過1/550，而添加粘滯阻尼器以后，層間位移角和首層地震剪力都明顯減小，滿足國家規(guī)范要求；2）方案1非線性時程分析法層間位移角平均減震率是51%，首層剪力平均減震率40%，取得了良好的減震效果；方案2非線性時程分析法層間位移角平均減震率是47%，首層剪力平均減震率38%，減震效果不及方案1，但由于方案1的反應譜法分析的層間位移角不滿足規(guī)范要求，因此選用方案2．

6 結(jié)論

1）框架結(jié)構中安裝粘滯阻尼器，可以有效的減小最大層間位移角和層剪力，消耗地震能量，從而提高結(jié)構的抗震性能，達到國家規(guī)范要求；

2）在框架結(jié)構中安裝阻尼器的多少，和提高結(jié)構抗震性能高低沒有直接關系，只有合理布置粘滯阻尼器，才能更好地消耗地震能量，提高結(jié)構抗震；

3）對于不滿足國家抗震規(guī)范的大空間超限高層建筑，可以安裝效能減震結(jié)構來消耗地震能量，從而滿足建筑結(jié)構要求．

表5 層間位移角和減震率對比Tab.5 Comparisons of story drift and damping rate

表6 首層地震剪力和減震率對比Tab.6 Comparisons of first floor story share and dam ping rate

[1]郭晨光．安裝粘彈性阻尼減振裝置的高層建筑抗震研究[D]．成都：西南交通大學，2004．

[2]林寧．粘彈性阻尼器在框架結(jié)構中的優(yōu)化布置[D]．成都：西南交通大學，2008

[3]XieQ．StateoftheartofbucklingrestrainedbracesinAsia[J]．JournalofConstructionSteelResearch，2005，61（6）：727-748．

[4]AikenI，KimuraI．Theuseofbuckling-restrainedbracesintheUnitedStates[C]//ProceedingsoftheJapanPassiveControlSymposium．Yokohama：Tokyo InstituteofTechnology，2001．

[5]TsaiKC，LaiJW，HwangYC，etal．Researchandapplicationofdouble-corebuckling-restrainedbracesinTaiwan[C]//Proceedingsofthe13thWorldConferenceonEarthquakeEngineering．VancouverBC．2004：2179．

[6]SabelliR，AikenI．USbuilding-codeprovisionsforbuckling-restrainedbracedframes:basisanddevelopment[C]//Proceedingsofthe13thWorldConferenceonEarthquakeEngineering．VancouverBC．2004：1828．

[7]程選生，賈傳勝．消能減震技術在結(jié)構抗震加固改造中的應用[J]．土木工程學報，2012，45（增刊）：253-257．

[8]鄧宗才．高性能合成纖維混凝土[M]．北京：科學出版社，2003．

[9]鄧雪松，王廷彥，陳麟，等．巨型框架-耗能支撐結(jié)構的減震性能分析[J]．地震工程與工程振動，2008，28：146-150．

[10]陳敏，賀國京，劉暢，等．阻尼器在框架結(jié)構中的優(yōu)化布置策略[J]．土木建筑與環(huán)境工程，2013，35（3）：20-26．

[11]周云，尹慶利，林紹明，等．帶黏滯阻尼器腋撐鋼筋混凝土框架結(jié)構抗震性能試驗研究[J]，建筑結(jié)構學報，2011，32（11）：64-73．

[責任編輯 楊屹]

Seismicanalysisofirregularhigh-riseframestructure withviscousdampingbrace

RENZemin1，MAYanan2，QIAOJinli2，HOUShuang2

(1.DepartmentofProgrammingandConstruction,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China;2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China )

Theseismicbehaviorofirregularhigh-risestructurewithviscousdampingbraceiscomplex.Inordertoimprovetheseismicperformanceofhigh-risebuilding,the seismicresponseofresponsespectrumandnonlineartime-historyanalysisonanirregularcollegelibraryinTianjinofstructureformselection,damperselectionandlayoutisstudied. Theresultshowthatviscousdampingbracecaneffectivelyimprovetheseismicperformanceofstructure;thenumberofviscousdampercannotdeterminehowmuchenergyconsumption is,andonlythroughthereasonabledecorate,canitimprovetheseismicperformanceofthestructure.

irregularbuilding;framestructure;viscousdampingbrace;seismicperformance

TU311.41

A

1007-2373(2015)06-0086-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.017

2015-05-07

河北省高等學?？茖W技術研究項目（QN2014119）

任澤民（1964-），男（漢族），正高級工程師．

數(shù)字出版日期：2015-12-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151217.1506.004.html