混凝土框架結(jié)構(gòu)的消能減震設(shè)計(jì)分析

韓超

摘 要 隨著建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式的不斷發(fā)展，許多國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀學(xué)者紛紛提出了很多新型的、具有創(chuàng)新性的框架結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)及體系。在地震作用下，應(yīng)用了框架結(jié)構(gòu)的建筑工程為了能夠有效地預(yù)防層間位移角過大，經(jīng)常采用效果顯著的消能減震措施，如使用以結(jié)構(gòu)阻尼為主的消能減振控制技術(shù)、消能減震設(shè)備等。本文將以建筑工程混凝土框架結(jié)構(gòu)的消能減振設(shè)計(jì)為主題，闡述消能減震技術(shù)的基本原理及基本形式，探討混凝土框架結(jié)構(gòu)消能減振設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 建筑工程;框架結(jié)構(gòu);消能減震

前言

隨著我國(guó)建筑工程行業(yè)的快速發(fā)展，在眾多高烈度地震區(qū)建設(shè)了很多高層建筑。高層建筑的設(shè)計(jì)及施工難度較大，在高烈度地震區(qū)域建設(shè)高層建筑的難度更大。為了提升高層建筑的抗震等級(jí)，需要增設(shè)消能減震設(shè)備。通過優(yōu)秀的消能減震設(shè)計(jì)增加高層建筑抵抗地震力，以提升高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。

1消能減震的基本原理及基本形式

1.1 基本原理

在混凝土框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)施指的是在整體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的某一部位（例如樓層間、特殊節(jié)點(diǎn)、相鄰建筑之間等）設(shè)置具有消能減震的部件（例如消能器），消能器之間發(fā)生相互摩擦、彈塑性變形等一系列的變形最終吸收地震作用或風(fēng)作用下的震動(dòng)，以達(dá)到預(yù)設(shè)的減振效果。其中，消能器的主要構(gòu)造為與位移相關(guān)和速度相關(guān)的消能器和以支撐體系、支架、節(jié)點(diǎn)等為主的支撐結(jié)構(gòu)。消能器的減振消能效果是在能量吸收的角度對(duì)地震或較大風(fēng)荷載作用下的能量進(jìn)行抵消的。

1.2 基本形式

目前應(yīng)用于建筑工程框架結(jié)構(gòu)消能減振設(shè)計(jì)的消能器的基本形式為消能支撐結(jié)構(gòu)、消能支架結(jié)構(gòu)、消能墻體結(jié)構(gòu)、消能節(jié)點(diǎn)、消能輔助結(jié)構(gòu)等。不同的結(jié)構(gòu)形式能夠起到不同的消能減震的效果。常用的消能減振設(shè)備有速度型阻尼器、位移型阻尼器兩種。如果建筑工程框架結(jié)構(gòu)在地震作用或較大風(fēng)荷載作用下，樓層位移角不滿足規(guī)范要求，可以通過上述兩種消能減震設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)[1]。

2框架結(jié)構(gòu)消能減震理論分析

2.1 設(shè)計(jì)思想

建筑工程框架結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段。在此階段設(shè)置消能減振設(shè)備的目的就是為了吸收地震或較大風(fēng)荷載作用下的震動(dòng)，以確保結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸較小構(gòu)件不會(huì)在震動(dòng)過程中發(fā)生破壞，甚至可以依據(jù)模型分析減小某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，以達(dá)到設(shè)計(jì)工作的經(jīng)濟(jì)性。此外，建筑工程框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，整體結(jié)構(gòu)處于彈塑性或塑性階段，層間位移較大。在此階段設(shè)置消能減振設(shè)備的目的就是為了有效減小結(jié)構(gòu)層間位移，在規(guī)范允許的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行保護(hù)，不至于發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性破壞等情況。

2.2 混凝土框架結(jié)構(gòu)消能減震分析方法

不同高層建筑所在位置的抗震要求不同、高層建筑設(shè)計(jì)狀況不同，所采取的消能減震分析方法不同。如果高層建筑的框架結(jié)構(gòu)整體處于彈性階段，則可以使用等效線性化的處理方式對(duì)框架結(jié)構(gòu)的消能構(gòu)件進(jìn)行處理分析，如底部剪力法、振型分析反應(yīng)譜法或線性時(shí)程分析法等。本小節(jié)將對(duì)常用的分析方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。

（1）等效線性分析法

等效線性分析法的分析原理是對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)的消能構(gòu)件的恢復(fù)力進(jìn)行等效分析化處理，通過相關(guān)公式的推導(dǎo)達(dá)到消能減震的效果。等效線性分析法的運(yùn)動(dòng)方程如下：

（1）

式（1）中，【M】為框架結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量;

【K】為框架結(jié)構(gòu)自身剛度;

【C】為阻尼矩陣;

【】為消能減震裝置的附加等效線性阻尼矩陣;

【】為消能減震裝置的等效線性剛度矩陣;其中，【】可由消能減震設(shè)備的等效線性阻尼系數(shù)和消能減振設(shè)備的等效線性剛度系數(shù)集合而成。

（2）非線性時(shí)程分析法

應(yīng)用非線性時(shí)程分析法，混凝土框架結(jié)構(gòu)的多自由度消能減震結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可如下表示：

（2）

式（2）中，為混凝土框架結(jié)構(gòu)自身恢復(fù)力向量;

為消能減振設(shè)備提供的恢復(fù)力向量，此參數(shù)可以由消能器的回復(fù)模型確定;

3消能減震部件的布置要點(diǎn)

在高層建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)中布置消能減震部件，不得影響高層建筑的正常使用功能，不得影響高層建筑外部設(shè)計(jì)風(fēng)格，需要確保所設(shè)置的消能減振構(gòu)件能夠正常工作。根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀發(fā)現(xiàn)，在住宅建筑、辦公樓建筑、旅館建筑或醫(yī)院建筑等民用建筑之中設(shè)置消能減震構(gòu)件經(jīng)常會(huì)妨礙建筑內(nèi)部空間的布置，不利于對(duì)建筑外墻開設(shè)門窗洞口等。為此，可以考慮將消能減振部件布置在不需要通道的位置，例如樓梯間、設(shè)備間、設(shè)備間等[2]。

4結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，我國(guó)在建或已建成的以混凝土框架結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高層建筑中，消能減震技術(shù)是應(yīng)用效果最為有效的、幫助整體結(jié)構(gòu)抵消地震作用的技術(shù)手段之一。對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析可以提升設(shè)計(jì)人員對(duì)高層建筑抵抗地震作用的設(shè)計(jì)思路。隨著我國(guó)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，需要對(duì)類似消能減震等技術(shù)手段進(jìn)行分析和研究，為我國(guó)建筑工程行業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 張強(qiáng).鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)[J].四川建材，2019，45 （01）：87，89.

[2] 趙健，宋曉光.混凝土框架結(jié)構(gòu)的消能減震設(shè)計(jì)[J].住宅與房地產(chǎn)，2018，（36）：72.