一字型消能減震框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

張 雨，萬 超，李玉蘭

(安徽建筑大學(xué) 土木學(xué)院，安徽 合肥 230061)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，各種高層、大跨度等結(jié)構(gòu)的建筑物也隨之大規(guī)模地建設(shè)，使得地震造成的經(jīng)濟(jì)損失更大[1]?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系具有良好的延性和耗能能力，是當(dāng)代建筑中常使用的一種結(jié)構(gòu)形式[2]。然而，一般未設(shè)置黏性阻尼器構(gòu)件的框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度較低，所以框架結(jié)構(gòu)中常設(shè)置支撐來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度[3，4]。本文通過SAP2000軟件對(duì)一字型RC框架結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和線性時(shí)程，研究了不同地震波作用下原結(jié)構(gòu)和布置了黏性阻尼器構(gòu)件的消能減震結(jié)構(gòu)的自振周期、樓層位移和層間位移角，對(duì)比分析模型1(原結(jié)構(gòu))和模型2(設(shè)置黏滯阻尼器)的抗震性能，得出設(shè)置阻尼器構(gòu)件的結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度明顯提高。

1 模型的建立

為了能體現(xiàn)出設(shè)置黏滯阻尼器在抗震中的優(yōu)越性能和抗震性能，本文建立了兩個(gè)框架模型進(jìn)行對(duì)比分析，模型具有相同的尺寸，均為10層的一字型RC框架結(jié)構(gòu)，首層層高為4.5 m，其他樓層層高均為3.6 m，結(jié)構(gòu)總高度為36.9 m，框架X方向設(shè)置7跨，Y方向設(shè)置3跨，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。C30混凝土，Q345級(jí)鋼。主要構(gòu)件尺寸為：梁截面：600 mm×300 mm，柱截面：600 mm×600 mm，120 mm厚混凝土樓板。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20s，設(shè)計(jì)地震分組為二組，二類場(chǎng)地，特征周期為0.40 s。假設(shè)2個(gè)模型的梁柱、柱腳均為剛接，設(shè)置樓層荷載：恒荷載：4.0 kN/m2，活荷載：2.0 kN/m2，梁上線荷載：8 kN/m2。模型如圖1所示。

圖1 SAP2000建模示意圖

2 抗震性能分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的技術(shù)，而且也是所有動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)包括反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析[5]。而影響?zhàn)枘崞鲗?duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能的重要一點(diǎn)就是對(duì)于動(dòng)力特性的影響[6]。本文采用Ritz向量法對(duì)模型1和模型2分別進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算分析得出框架前12階的自振周期以及質(zhì)量參與系數(shù)見表1、表2。

依據(jù)表1和表2中的數(shù)據(jù)可以得出設(shè)置黏滯阻尼器的框架的第一周期分別為1.1307 s和1.0091 s。

表1 模型1的自振周期與質(zhì)量參與系數(shù)

表2 模型2的自振周期與質(zhì)量參與系數(shù)

對(duì)于不設(shè)黏滯阻尼器的原結(jié)構(gòu)，可從表1中得到此時(shí)的第一振型為Y向平動(dòng)陣型(UY=0.78651 s)，第二陣型為X向平動(dòng)陣型(UX=0.83069 s)，第三陣型為Y向平動(dòng)(UY=0.03780 s)。對(duì)于設(shè)置了黏滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)的第一陣型為Y向平動(dòng)(UY=0.78651 s)，第二陣型為X向平動(dòng)(UX=0.43072 s)，第三陣型為Y向平動(dòng)(UY=0.00308 s)。

由表1和表2可知，對(duì)于模型1和模型2的最后一階的SumUX和SumUY均大于90%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于滿足陣型的數(shù)量上應(yīng)該要求結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量與系數(shù)必須大于90%的規(guī)定[7]。

2.2 反應(yīng)譜分析

反應(yīng)譜是以結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)來計(jì)算地震作用，并以承載力作為主要設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和地震動(dòng)力特性之間的動(dòng)力關(guān)系[8，9]。層間位移是先假設(shè)平面內(nèi)無限鋼，然后層間位移角式指按彈性方法計(jì)算的風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高的比[10]，得出的模型1和模型2的層間位移和層間位移角見表3。

表3 反應(yīng)譜下結(jié)構(gòu)樓層的水平位移和層間位移角

由表3可知，模型1和模型2的層間位移角均滿足規(guī)范規(guī)定的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間位移角限制1/50。模型2比模型1在10層總的水平位移從34.84 mm降至6.15 mm，減小了82.3%，由此可以看出結(jié)構(gòu)設(shè)置黏滯阻尼器能夠明顯改善該框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.3 線性時(shí)程分析

本文選取EL-Centro波、Tangshan波和Lanzhou波，對(duì)模型1和模型2進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表4、表5，由表4求得最大層間位移如圖2和圖3所示。

表4 模型1的最大位移和位移角

表5 模型2的最大位移和位移角

圖2 模型1和模型2在不同地震波下的位移對(duì)比圖

由圖2可知，設(shè)置黏滯阻尼器的框架的位移較原結(jié)構(gòu)有明顯的降低，對(duì)于同一種結(jié)構(gòu)來說，原結(jié)構(gòu)受地震波作用下的位移波動(dòng)較大，設(shè)置了黏滯阻尼器的框架在不同地震波作用下的位移區(qū)別不大，在Tangshan波作用下位移減少最多(63%)，EL-Centro波次之(57%)，在Lanzhou波作用下的位移減少最少(28%)。由圖3可知，未設(shè)置黏滯阻尼器的框架的薄弱層在中間層(5～7層)，設(shè)置黏滯阻尼器后，層間位移角變化平緩，沒有突變現(xiàn)象，并且由表4和表5可知，模型1和模型2的層間位移角均小于1/250，故滿足規(guī)范要求。

圖3 模型1和模型2在不同地震波下的層間位移角對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文通過SAP2000對(duì)一字型的RC結(jié)構(gòu)在三種不同地震波下進(jìn)行了對(duì)比分析，研究了一些動(dòng)力特性并且討論了結(jié)構(gòu)的最大位移以及最大層間位移角，得出以下結(jié)論：

1)兩個(gè)模型的前3個(gè)周期振型均為平動(dòng)，滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，并且選取了2個(gè)模型的前12振型，最后一階振型的質(zhì)量參與系數(shù)SumUX和SumUY均大于90%，滿足要求。

2)設(shè)置黏滯阻尼器的框架在結(jié)構(gòu)底層產(chǎn)生的位移角小于原結(jié)構(gòu)框架，并且其位移遠(yuǎn)小于原結(jié)構(gòu)，因而說明設(shè)置黏滯阻尼器的支撐結(jié)構(gòu)的剛度得到顯著提升。

3)通過分析結(jié)構(gòu)的層間位移角，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱層在中間層(5～7層)，黏滯阻尼器的設(shè)置在很大程度上改善了框架結(jié)構(gòu)薄弱層的問題，并且可以減少地震波作用導(dǎo)致的位移，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。