非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)的消能減震分析

林立軍

(福建省抗震防災(zāi)技術(shù)中心　福建福州　350001)

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非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)的消能減震分析

林立軍

(福建省抗震防災(zāi)技術(shù)中心福建福州350001)

以某實(shí)際工程為背景，進(jìn)行非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)的消能減震分析，并通過數(shù)值模擬計(jì)算就阻尼器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。分析結(jié)果表明，在非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器，可以有效降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)；在阻尼器速度指數(shù)確定時(shí)，增加阻尼系數(shù)對(duì)阻尼器耗能及降低非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)響應(yīng)均有較大幫助。

非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)，粘滯阻尼器，阻尼系數(shù)

0　引言

大底盤多塔結(jié)構(gòu)為目前城市綜合體建筑廣泛采用的建筑形式，連廊連體結(jié)構(gòu)是其中發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)形式[1,2]，多在雙塔結(jié)構(gòu)中采用，工程中的雙塔結(jié)構(gòu)存在對(duì)稱及非對(duì)稱布置的形式。對(duì)于大底盤非對(duì)稱雙塔結(jié)構(gòu)，由于其不同塔體的結(jié)構(gòu)布置的差異，在地震作用下的平扭耦聯(lián)振動(dòng)效應(yīng)較單塔結(jié)構(gòu)或?qū)ΨQ雙塔結(jié)構(gòu)顯著許多，而連廊連體結(jié)構(gòu)由于連接體的存在，其實(shí)質(zhì)是給兩個(gè)塔體之間提供了一定的連接剛度，將導(dǎo)致兩塔之間的耦聯(lián)振動(dòng)效應(yīng)愈發(fā)復(fù)雜。為了改善該類結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，可在連接體與塔體間的連接方式上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變塔體間的連接剛度及阻尼，從而提高其抗震性能[3]。

本文以某實(shí)際工程為背景，在非對(duì)稱雙塔間連廊與塔體間設(shè)置粘滯阻尼器，由于粘滯阻尼器的設(shè)置，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)行為的非線性特質(zhì)更加明顯，其分析方法較傳統(tǒng)基于線性理論的結(jié)構(gòu)分析過程有著顯著差異。本文基于粘滯阻尼器的消能減震原理，對(duì)該非對(duì)稱雙塔連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行消能減震分析，并對(duì)該工程阻尼器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)置進(jìn)行分析。

1　粘滯阻尼器消能減震基本原理及計(jì)算方法

1.1消能減震原理

粘滯阻尼器減震基本原理是通過阻尼器的粘滯特性吸收能量導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)阻尼增加。該類型阻尼器一般由缸體、活塞、阻尼孔、粘性介質(zhì)和導(dǎo)桿等組成，當(dāng)活塞在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞前后的壓力差使粘滯材料從阻尼孔中通過，從而產(chǎn)生阻尼力，達(dá)到耗能的目的，通過結(jié)構(gòu)的振動(dòng)使活塞與缸體間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并利用粘滯阻尼器消耗結(jié)構(gòu)振動(dòng)的部分能量，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)(地震或風(fēng)振)反應(yīng)的目的。圖1是設(shè)置粘滯阻尼器后的減震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜示意圖。其中的效應(yīng)①是由于阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供的額外剛度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化；效應(yīng)②則是系統(tǒng)阻尼增加引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化。在效應(yīng)①、②的共同作用下，系統(tǒng)的位移、速度、加速度響應(yīng)均比原結(jié)構(gòu)小[4]。

1.2粘滯阻尼器計(jì)算模型

對(duì)于粘滯阻尼器的力學(xué)模型，目前已提出的數(shù)學(xué)模型有Kelvin模型、Maxwell模型、Wierchert模型、小數(shù)導(dǎo)數(shù)模型等，其中目前在工程領(lǐng)域使用最為廣泛的是Maxwell模型，其力學(xué)模型如圖2所示，設(shè)阻尼單元位移為u，則粘滯阻尼器出力表達(dá)式為[5]：

(1)

(2)

其中，α為速度指數(shù)，cα為粘滯阻尼系數(shù)。粘滯阻尼器出力與其速度的關(guān)系曲線如圖3，當(dāng)α≠1時(shí)，式即表征了粘滯阻尼器的非線性特性，由圖3可以看出，α越小，阻尼器的耗能越大，因此，目前常用的粘滯阻尼器均為非線性粘滯阻尼器。

圖2粘滯阻尼器的Kelvin模型

對(duì)于設(shè)置了阻尼器的減震結(jié)構(gòu)而言，其動(dòng)力方程與非減震結(jié)構(gòu)相比，多出了阻尼器出力項(xiàng)，其動(dòng)力方程可表示為：

(3)

將式(2)代入式(3)，即可對(duì)該非線性體系采用時(shí)程分析法進(jìn)行求解。

2　工程實(shí)例

2.1工程概況

本工程的連體結(jié)構(gòu)的雙塔分別為100m、高23層的鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)的A塔及140m、高30層的鋼混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的B塔，在21～22層設(shè)置連廊相連，連體結(jié)構(gòu)整體模型軸測(cè)示意圖如圖4所示。其中連廊采用鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，桁架高度10m，結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。桁架與A塔連接方案順桁架方向采用滑動(dòng)連接，垂直桁架方向?yàn)殂q接，支座采用可轉(zhuǎn)動(dòng)可滑動(dòng)式支座。桁架與B塔連接方案順桁架方向采用滑動(dòng)連接+縱向粘滯阻尼器(兩個(gè))，垂直桁架方向?yàn)殂q接，支座采用可轉(zhuǎn)動(dòng)可滑動(dòng)式。具體支座及阻尼器布置詳見圖6連廊的平立面示意圖。該建筑地處抗震設(shè)防7度(0.10g)地區(qū)，地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓為0.70kN/m2。

2.2地震波的選取

根據(jù)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、場(chǎng)地條件、建造物基本周期及近、遠(yuǎn)震等因素，使用工程抗震設(shè)計(jì)軟件EQSS，選取適宜本場(chǎng)地的天然地震波各2條，見表1。選波條件如下：

(1)加速度峰值：據(jù)土層地震動(dòng)反應(yīng)分析計(jì)算的結(jié)果，分別取不同概率水準(zhǔn)的土層地表水平加速度峰值。

(2)場(chǎng)地類別為II類。

(3)建筑物基本周期：3.59秒。

(4)根據(jù)各潛在震源區(qū)對(duì)場(chǎng)地地震動(dòng)貢獻(xiàn)的大小，場(chǎng)地主要考慮近震影響。

在天然波確定后，根據(jù)50年超越概率分別為63%和2%的兩種水準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)幅，得到每一條天然波不同峰值水平的波形各2條，詳細(xì)天然波選取及波形文件詳見表1，波形圖見圖7。

表1　地表面(Ⅱ類場(chǎng)地)天然地震波目錄

注：R—震中距(km)，Amax—最大加速度(cm/s2)。

此外，為滿足工程場(chǎng)地抗震設(shè)計(jì)中采用時(shí)程法進(jìn)行驗(yàn)算的需要，根據(jù)《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》GB 17741-2005的要求，另外人工合成工程場(chǎng)地抗震所需的設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)程，對(duì)于2種超越概率(50年63%、2%)各合成2條時(shí)程作為人工波進(jìn)行驗(yàn)算分析。

2.3阻尼器參數(shù)優(yōu)化分析

輸入上述天然波和人工地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)時(shí)程分析，因主要考慮連廊與塔樓連接的阻尼器耗能能力及其對(duì)塔樓的影響，分析時(shí)兩塔樓和連廊均不考慮進(jìn)入塑性，只考慮邊界非線性問題，計(jì)算結(jié)果均取包絡(luò)值。

由于速度指數(shù)越小(如圖3所示)，阻尼器耗能能力越強(qiáng)，目前工程中常用的均為0.2至1.0之間，本工程所用阻尼器速度指數(shù)取為0.2。因此，本工程的阻尼參數(shù)優(yōu)化主要針對(duì)阻尼系數(shù)，本文分別選取阻尼系數(shù)為800kN·s/m、1 000kN·s/m、1 200kN·s/m、1 500kN·s/m、1 800kN·s/m、2 000kN·s/m進(jìn)行模擬分析，從中選取合理的阻尼系數(shù)。

2.3.1阻尼器耗能分析

圖8為結(jié)構(gòu)按照式(3)計(jì)算所得不同阻尼系數(shù)下阻尼器的滯回耗能曲線。由圖可知，不同阻尼系數(shù)下的阻尼器的滯回環(huán)均很飽滿，均能很好的耗能，因此，通過阻尼器的耗能，可減小連廊的晃動(dòng)且可以較快減輕連廊的晃動(dòng)程度。不同的是阻尼系數(shù)較大的阻尼器可以在較短的行程內(nèi)進(jìn)行同能量的耗散。

2.3.2阻尼器行程分析

根據(jù)本工程超限分析報(bào)告，由模型的計(jì)算結(jié)果得，連體與A塔沿連廊軸向(X向)在100年一遇風(fēng)荷載下最大相對(duì)變形不超過60mm，在罕遇地震下最大相對(duì)變形預(yù)估不超過500mm?？紤]A塔和B塔沿Y向不同步變形，在罕遇地震下最大相對(duì)變形預(yù)估不超過400mm。把連廊作為剛體考慮，當(dāng)連廊產(chǎn)生1.5°轉(zhuǎn)角時(shí)，沿Y向兩塔樓變形差約為550mm，同塔樓兩支座沿Y向相對(duì)變形差約為49mm。因此，考慮以上因素選擇阻尼器最大行程限值為±250mm。

(a)阻尼系數(shù)800kN.s/m

(b)阻尼系數(shù)1000kN.s/m

圖9為計(jì)算所得大震下不同阻尼系數(shù)下阻尼器的最大行程。由圖可知，阻尼系數(shù)為800kN.s/m時(shí)，阻尼器的最大行程比較接近最大行程限值。為了安全起見，可選擇阻尼系數(shù)較大的阻尼器。

2.3.3連廊響應(yīng)分析

圖10為大震時(shí)不同阻尼系數(shù)下與連廊支座相連節(jié)點(diǎn)相對(duì)地面的位移時(shí)程曲線。由圖可知，設(shè)置阻尼器能夠一定程度上減小連廊的晃動(dòng)程度，且可以較快地減小連廊的晃動(dòng)程度且阻尼系數(shù)越大，位移響應(yīng)的衰減程度越大。表2為大震時(shí)阻尼器在不同阻尼系數(shù)下，連廊樓層及其相連樓層的剪力。由表2可知，增設(shè)阻尼器，對(duì)塔樓相連樓層的剪力基本沒有影響或影響非常小。

表2　不同阻尼系數(shù)下連廊樓層剪力及其相連樓層剪力

3　結(jié)論

根據(jù)以上分析，可知在非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘滯阻尼器，可以在有效降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)的同時(shí)，在設(shè)置阻尼處并不增大結(jié)構(gòu)受力；同時(shí)，本工程的算例表明，在阻尼器速度指數(shù)確定時(shí)，增加阻尼系數(shù)對(duì)阻尼器耗能及降低非對(duì)稱雙塔連體結(jié)構(gòu)響應(yīng)均有較大幫助。

[1]吳耀輝,婁宇,李愛群,等.大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)抗震分析研究進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,33(9): 16-19.

[2]婁宇,王紅慶,陳義明.大底盤上雙塔和連體高層建筑的振動(dòng)分析[J].建筑結(jié)構(gòu),1999,(4): 9-12.

[3]黎譽(yù),施衛(wèi)星.組合減震裝置在連體結(jié)構(gòu)高空連廊中的應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào),2014,32(6): 826-830.

[4]社團(tuán)法人日本隔震結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)·施工手冊(cè)[M].蔣通，譯.北京: 建筑工業(yè)出版社,2008.

[5]彭偉.線性和非線性粘滯阻尼器在橋梁減震中的應(yīng)用研究[D].上海: 同濟(jì)大學(xué),2011.

Energy Dissipation Analysis of Asymmetric Connected Double-Tower Structure

LIN Lijun

(Fujian Province Anti-Seism Center,Fuzhou 350001)

The energy dissipation and vibration reduction analysis is carried out using a real project as the background.The optimization of damper parameter is implemented according to numerical simulation.It is demonstrated that setting viscous damper in asymmetric connected double-tower will effectively reduce the structural responses.When the velocity index of damper is determined,increasing damping factor will be helpful to the energy dissipation of damper as well as reducing the responses of the asymmetric double-tower structure.

Asymmetric connected double-tower structure; Viscous damper; Damp factor

林立軍(1970.06-)，男，高級(jí)工程師。

E-mail:519897863@qq.com

2016-03-23

TU3

A

1004-6135(2016)04-0054-05