消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中軟鋼阻尼墻的有效運(yùn)用分析

吳愛(ài)武 陳朝暉

摘要：針對(duì)高烈度區(qū)所制定的高層建筑結(jié)構(gòu)方案的好壞，往往會(huì)對(duì)建筑功能的可行性、實(shí)用性造成直接影響，通常需要采取一定程度的消能減震措施，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置及尺寸的合理優(yōu)化。針對(duì)消能減震設(shè)計(jì)方法來(lái)講，其就是把傳統(tǒng)形式的延性抗震設(shè)計(jì)向經(jīng)阻尼耗能而達(dá)到減震目的進(jìn)行轉(zhuǎn)變，通過(guò)根據(jù)實(shí)際需要，附加實(shí)用的阻尼裝置，以此來(lái)整個(gè)結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)性及抗震性能方面，均能夠配置效能的最佳化。本文結(jié)合工程實(shí)例，探討軟鋼阻尼墻在高烈度區(qū)工程中的應(yīng)用，在減震前后地震作用下，就結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性進(jìn)行比較，對(duì)軟鋼阻尼墻的實(shí)際減震效果進(jìn)行驗(yàn)證，從中挖掘與剖析效能減震設(shè)計(jì)的具體方法與思路，望能為此領(lǐng)域應(yīng)用研究有所借鑒。

關(guān)鍵詞：消能減震結(jié)構(gòu)；軟鋼阻尼墻；應(yīng)用

1、工程概述

某工程運(yùn)用的是典型的框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，地上建筑共有20層，第一層的樓層高度為5.6m，而2～5層的樓層高度為5.1m，6層的樓層高度為4.7m，7～20層的樓層高度為3.5m，整個(gè)建筑主體的樓層總高度為79.94m；地下共有兩層，將地下室頂板當(dāng)作嵌固端。此工程實(shí)為常規(guī)高度的高層建筑，其抗震設(shè)防的基本參數(shù)為設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.30g，設(shè)計(jì)地震為第三組，建筑場(chǎng)地為Ⅱ類，特征周期0.45；水平地震影響系數(shù)最大值罕遇地震、多遇地震分別為1.20、0.24。一級(jí)抗震等級(jí)，用Perfom-3D開(kāi)展消能減震結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)之間的對(duì)比與分析，用ETABS Nonlinear開(kāi)展模型驗(yàn)證與小震時(shí)程分析，用SATWE開(kāi)展常規(guī)分析設(shè)計(jì)。

2、消能減震結(jié)構(gòu)方法的基本優(yōu)選

針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震來(lái)講，其經(jīng)歷了不同發(fā)展階段，比如延性結(jié)構(gòu)體系、柔性結(jié)構(gòu)體系及剛性結(jié)構(gòu)體系等。針對(duì)延性設(shè)計(jì)方法來(lái)講，其主要是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度及延性進(jìn)行適當(dāng)性控制，來(lái)最大程度的提升抗震能力，真正意義上做到大震不倒、中震可修及小震不壞的基本要求。針對(duì)比較常用的延性抗震設(shè)計(jì)方法而言，現(xiàn)階段，其在諸多情況下均較為有效，但從總體上來(lái)講，其也存在一些突出問(wèn)題：其一，安全性無(wú)法得到切實(shí)保障，將既定的“設(shè)防烈度”當(dāng)作設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，如果所發(fā)生的地震超過(guò)設(shè)防烈度時(shí)，受此影響，房屋可能會(huì)受損，且在地震隨機(jī)性的基本影響下，建筑結(jié)構(gòu)在倒塌可能性方面將無(wú)法控制，在破損程度方面也將無(wú)法控制；其二，適應(yīng)性有限。在地震發(fā)生中，容許建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定破損，僅考慮結(jié)構(gòu)自身的抗震，而沒(méi)有將內(nèi)部設(shè)備等因素考慮在內(nèi)；其三，經(jīng)濟(jì)性不好。通過(guò)增加配筋以及加大結(jié)構(gòu)截面的方式，來(lái)抵抗地震，最終結(jié)果就是剛度越大、截面越大，地震作用也就越突出、越明顯。

該工程地處地震高烈度區(qū)，若運(yùn)用傳統(tǒng)延性抗震設(shè)計(jì)，那么會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：其一，為了切實(shí)保障結(jié)構(gòu)整體剛度與規(guī)范要求相滿足，會(huì)存在比較大的結(jié)構(gòu)構(gòu)件需求截面，需布設(shè)更多的抗震墻，會(huì)對(duì)建筑功能產(chǎn)生直接影響，甚至無(wú)法完成建筑布設(shè)；其二，大部分連梁抗剪截面存在嚴(yán)重超限的情況，需要專門為此制定抵抗措施，因而會(huì)大幅增加費(fèi)用支出；其三，有著過(guò)大的剪重比，突出表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)需承受過(guò)大的地震作用，此些地震作用的能量將通過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形來(lái)予以耗散，造成所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與大震不倒的設(shè)計(jì)要求不相符；其四，當(dāng)選擇傳統(tǒng)延性設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)存在過(guò)大的結(jié)構(gòu)配筋量，因而會(huì)增加基礎(chǔ)以及上部整體工程的造價(jià)?；诖?，本工程需要積極采取有效的減震措施，增加消能部件，運(yùn)用高效能的消能減震結(jié)構(gòu)體系。

設(shè)置阻尼器來(lái)達(dá)到減震目的的原理為：（1）消能部件處于彈性狀態(tài)，可以提供有效的剛度，另能為主體結(jié)構(gòu)提供輔助，達(dá)到控制位移的目的，因而有利于構(gòu)件截面的優(yōu)化；（2）當(dāng)消能部件進(jìn)入非彈性狀態(tài)之后，能夠提供比較大的附加阻尼，而隨著結(jié)構(gòu)等效阻尼比的增加，結(jié)構(gòu)地震作用會(huì)持續(xù)下降，因而能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件截面及主體結(jié)構(gòu)布置方面的優(yōu)化；（3）優(yōu)化構(gòu)件截面及主體結(jié)構(gòu)布置后，會(huì)加長(zhǎng)特征周期，使地震作用進(jìn)一步降低。因此，上述方面可以構(gòu)件一個(gè)良性循環(huán)，直到選出一個(gè)比較合理、高質(zhì)量的附加阻尼，使經(jīng)濟(jì)性與抗震性能均能夠達(dá)到最佳配置。針對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)來(lái)講，其在小地震或風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)，消能部件初始剛度充足，當(dāng)處于初始彈塑性狀態(tài)或者是彈性狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)在側(cè)向剛度方面仍足夠滿足實(shí)際要求。如果發(fā)生大地震時(shí)，伴隨結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增加，消能部件彈塑性變形向深度發(fā)展，將地震能量耗散，因而可以有效控制構(gòu)件、主體結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的所出現(xiàn)的破壞程度。綜上，該工程最終選用的是消能減震鋼筋混凝土框架與核心筒結(jié)構(gòu)體系。

3、設(shè)定消能減震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)

依據(jù)既往對(duì)阻尼消能減震結(jié)構(gòu)方面的研究結(jié)論，考慮工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及各類工程的相關(guān)要求，另參考傳統(tǒng)建筑抗震設(shè)防的基本要求，把消能減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)劃分為三種類型，目標(biāo)1：設(shè)置阻尼器的減震結(jié)構(gòu)，與之對(duì)象的抗震設(shè)防目標(biāo)為，如果遇到與本地區(qū)抗震設(shè)防烈度相當(dāng)或偏低的地震影響時(shí)，結(jié)構(gòu)整體受損較小，或者是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修理能繼續(xù)使用。如果遇到高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的嚴(yán)重地震，可能出現(xiàn)損壞，但是經(jīng)過(guò)針對(duì)性修理后，仍讓可以繼續(xù)使用；目標(biāo)B：針對(duì)那些對(duì)效能減震有更高要求的阻尼減震建筑來(lái)講，或者是處于較低設(shè)防烈度地震區(qū)的建筑，與之對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)防目標(biāo)為：如果遇到與本地區(qū)抗震設(shè)防烈度相比有一定偏高的地震，或者是相當(dāng)?shù)牡卣鹩绊?，結(jié)構(gòu)小受損壞，或者是其受力處理彈性狀態(tài)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修理后，仍然可以繼續(xù)使用；目標(biāo)C：因多種原因造成結(jié)構(gòu)在多遇地震下，仍無(wú)法滿足規(guī)范要求，或需要采取有效減震措施，方能切實(shí)滿足建筑施工要求時(shí)，可選用阻尼器來(lái)減震。此時(shí)，其在抗震設(shè)防目標(biāo)上相同于現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》。由于目標(biāo)A、與B會(huì)使工程造價(jià)增加，本文依據(jù)目標(biāo)C來(lái)完成消能減震設(shè)計(jì)。

4、消能部件設(shè)計(jì)

4.1設(shè)置消能部件

在選擇布置彈塑性阻尼器的方式方面，比較靈活，可依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特性與功能來(lái)進(jìn)行選擇，比較常見(jiàn)的彈塑性阻尼器為四種類型，即支撐型、剪切連接型、墻型及中間柱型。依據(jù)該工程建筑功能特點(diǎn)及消能減震效率，依據(jù)建筑隔墻的具體位置，于部分樓層，配置軟鋼阻尼墻，并將其當(dāng)做消能部件。針對(duì)框架柱來(lái)講，其所選用的是型鋼混凝土柱，相連于阻尼墻的框架梁，選用的是型鋼混凝土梁。針對(duì)軟鋼阻尼墻來(lái)講，其阻尼力多由軟鋼剪切塑性應(yīng)變量來(lái)決定，實(shí)為位移相關(guān)屈服彈塑性阻尼器的一種，其形態(tài)與墻板類似，以中間柱型比較多見(jiàn)。針對(duì)軟鋼阻尼器來(lái)講，其特點(diǎn)主要有：（1）較小的層間位移，阻尼墻可以提供有效剛度；當(dāng)存在比較大的層間位移時(shí)，阻尼墻屈服后，會(huì)使結(jié)構(gòu)阻尼增加，將地震能量消耗掉；（2）可根據(jù)減震相關(guān)要求及實(shí)際建筑規(guī)模，自主完成阻尼墻參數(shù)的設(shè)計(jì)；（3）產(chǎn)品可以設(shè)置于墻壁內(nèi)，對(duì)建筑使用不會(huì)造成影響。本工程軟鋼阻尼墻選用的是中間柱型，與層高相比，阻尼墻高度小于后者，其與主體上下樓層間，用的是有較大剛度的剛臂連接，因此，其剪切板的剪切變形相比結(jié)構(gòu)的層間變形，明顯大于后者，因此，可以更加方便的完成阻尼墻各項(xiàng)參數(shù)的配置。

4.2軟鋼阻尼墻分析模型

由軟鋼恢復(fù)力模型試驗(yàn)得知，在沒(méi)有出現(xiàn)破壞或屈曲時(shí)，恢復(fù)力模型實(shí)為比較飽滿的穩(wěn)定滯回環(huán)，能量吸收能力好，對(duì)于其恢復(fù)力而言，多與位移大小有關(guān)。針對(duì)軟鋼阻尼墻來(lái)講，可選用雙線性模型，對(duì)其基本力學(xué)特性進(jìn)行模擬，用Wen滯回模型來(lái)模擬基本阻尼特性。

5、消能減震分析

5.1多遇地震下減震分析

以非減震結(jié)構(gòu)有限元模型為基礎(chǔ)，適當(dāng)性增加阻尼單元，構(gòu)建完整的減震模型。該工程運(yùn)用ETABS軟件plasticl單元，對(duì)阻尼墻模型的動(dòng)力特性進(jìn)行模擬，表2為其參數(shù)的基準(zhǔn)值。在減震結(jié)構(gòu)阻尼墻中，將31片阻尼墻布置在X向，將49片阻尼墻布置在Y向。X向阻尼墻彈性剛度為353030k/kN/m，屈服承載力為480Fdy/kN，第二剛度比ratio0.05；Y向阻尼墻分別為353030k/kN/m、480Fdy/kN、0.05

運(yùn)用快速非線性分析法（FNA），分析多遇地震下的地震響應(yīng)時(shí)程，選擇2條人工波與6條天然波，減震前后所呈現(xiàn)出的位移角分析結(jié)果比較?；跇菍游灰平乔€得知，阻尼單元對(duì)中上部樓層的位移角進(jìn)行著有效控制。通過(guò)對(duì)阻尼墻減震模型進(jìn)行合理化配置其剛度與規(guī)范要求相符。

5.2罕遇地震減震分析

運(yùn)用Perform-3D構(gòu)建此結(jié)構(gòu)的非線性三維有限元模型，用纖維桿單元模型對(duì)框架柱、連梁及框架梁等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模擬；剪力墻的纖維截面由兩部分組成，其一為附加配筋纖維截面，其二為基本配筋纖維截面。鋼材特性選用Perform-3D非屈曲鋼材本構(gòu)及雙線性隨動(dòng)硬化模型，不存在剛度退化。設(shè)鋼材強(qiáng)屈比1.2，那么屈服之后，彈性模量比為E2/E1=0.01，而極限應(yīng)變?yōu)?.025。針對(duì)混凝土材料來(lái)講，其運(yùn)用彈塑性損傷模型，可考慮材料在拉壓強(qiáng)度方面的差異，以及拉壓循環(huán)的剛度與剛度退化。在Perform-3D當(dāng)中，混凝土的拉壓乃是處于獨(dú)立狀態(tài)的，彼此間互不影響。該工程運(yùn)用維纖維單元，對(duì)剪力墻的平面內(nèi)剪切效應(yīng)進(jìn)行模擬，另采用彈性本構(gòu)對(duì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、平面外剪切及平面外彎曲效應(yīng)進(jìn)行模擬。在定義纖維截面時(shí)，用約束混凝土與非約束混凝土纖維，對(duì)端部約束區(qū)與非端部約束區(qū)進(jìn)行模擬，針對(duì)梁與剪力墻來(lái)講，則用內(nèi)置的剛臂來(lái)連接。

針對(duì)梁柱單元來(lái)講，其實(shí)為一種端部塑性區(qū)模型。其中，對(duì)于框架梁非線性區(qū)而言，其運(yùn)用M-φ彎矩曲率鉸模型；全部連梁構(gòu)建均需同時(shí)考慮剪切鉸與彎曲鉸。Perform-3D模型主振型周期與SATWE模型之間的比較結(jié)果為：第一階：SATWE周期為1.69s，平均系數(shù)為0.00+0.98（X+Y），扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.01；Perform-3D周期為1.62s；第二階：SATWE周期為1.58s，平均系數(shù)為1.00+0.00，扭轉(zhuǎn)系數(shù)0；Perform-3D周期為1.52s；第三階：SATWE周期為1.38s，平均系數(shù)為0.00+0.02，扭轉(zhuǎn)系數(shù)0.97；Perform-3D周期為1.38s。兩種模型周期相差<5%，由此表明，兩種模型有著較吻合的動(dòng)力特性。

通過(guò)對(duì)減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)Perform-3D有限元模型開(kāi)展動(dòng)力彈塑性分析，從中獲取結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段之后層間位移角的最大值、阻尼墻所在梁的地震內(nèi)力、塑性鉸開(kāi)展的相應(yīng)趨勢(shì)，以此為結(jié)構(gòu)構(gòu)建設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)等，提供準(zhǔn)確、可靠依據(jù)。X向阻尼墻的最大阻尼力為990kN，最大位移為32.4mm，Y向阻尼墻的最大阻尼力為1020kN，最大位移為34.4mm。由此表明，減震結(jié)構(gòu)樓層位移得到顯著減少，阻尼墻最大位移以及輸出阻尼力比較合理，阻尼墻有著比較顯著的減震效果。

6、結(jié)語(yǔ)

綜上，由工程實(shí)際應(yīng)用得知，阻尼墻經(jīng)通過(guò)提供彈塑性時(shí)的附加阻尼比以及彈性時(shí)的有效剛度，使地震作用有效減小，并且建筑主體結(jié)構(gòu)以及構(gòu)建截面均得到相應(yīng)優(yōu)化，減小地震力與自重，形成了更為合理的良性循環(huán)，獲得比較突出的減震效果，此外，還能切實(shí)發(fā)揮出抗震設(shè)防高烈度區(qū)高層建筑的各類功能，有著不錯(cuò)的應(yīng)用價(jià)值。

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