附加阻尼器的核筒懸掛體系抗震性能分析

倪慧敏

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院泰興分院，江蘇 泰興 225400）

0 引言

結(jié)構(gòu)控制理論和控制系統(tǒng)的研究為結(jié)構(gòu)抗震提供了一條嶄新的思路。核筒懸掛附加阻尼結(jié)構(gòu)為高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)控制和減振方法開(kāi)辟了新的途徑。附加阻尼的核筒懸掛結(jié)構(gòu)不但符合傳力原理，且能充分利用高強(qiáng)材料的力學(xué)，能以細(xì)長(zhǎng)的拉桿替代粗大的柱子，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在核筒懸掛體系中，樓層通過(guò)懸掛轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)懸掛于主結(jié)構(gòu)上，用質(zhì)量巨大的懸掛樓層作為子結(jié)構(gòu)，達(dá)到振動(dòng)控制目的[1]。本文利用靜力彈塑性分析方法將附加金屬阻尼器的核筒懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)系模型，分別對(duì)在不同部位附加金屬阻尼器的四種計(jì)算模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，分析其減震效果。

1 研究對(duì)象與振動(dòng)模型

本文以附加金屬阻尼器的核筒懸掛結(jié)構(gòu)作為基本研究對(duì)象，平面尺寸43.2m×43.2m，核筒層高3.9m，共24層，總高3.6m。圖1是結(jié)構(gòu)縱向剖面圖,中心核筒的8層、1層和24層分別設(shè)置外伸懸臂大梁，樓層通過(guò)吊桿懸掛在懸臂大梁上，在懸掛樓層與中心核筒之間留有一定縫隙。

利用靜力彈塑性分析方法將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)系振動(dòng)模型，將中心核筒以及連接中心核筒與子結(jié)構(gòu)的外伸懸臂大梁簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)3、8、13，其余懸掛樓層也都簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)。在中心核筒與懸掛子結(jié)構(gòu)之間以及同樓層懸掛子結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間分別設(shè)置減振耗能裝置即金屬阻尼器[2-4]。

將沒(méi)有附加金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)稱之為結(jié)構(gòu)1；在中心核筒與懸掛子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)稱之為結(jié)構(gòu)2；在同樓層懸掛子結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)稱之為結(jié)構(gòu)3；在中心核筒與懸掛子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器同時(shí)在同樓層懸掛子結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間也附加金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)稱之為結(jié)構(gòu)4。

2 輸入地震波的選取

利用 關(guān)系，由我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）》中的地震影響系數(shù)曲線得出設(shè)計(jì)用速度譜，將設(shè)計(jì)用速度譜作為目標(biāo)速度譜，采用EL CENTRO 1940 NS，HACHINOHE 1968 EW，JMA KOBE 1995 NS地震波的相位特性，制成對(duì)應(yīng)抗震設(shè)防烈度為8度、設(shè)計(jì)地震分組第一組、場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)的多遇地震人工波和罕遇地震人工波，并將所作人工波速度譜與目標(biāo)譜擬合?？紤]到罕遇地震時(shí)，設(shè)計(jì)用速度譜和人工地震波速度譜曲線的擬合度較好，所以文中選取這三條人工地震波分別對(duì)四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，下文稱之為ART EL CENTRO波、ART HACHINOHE波和ART KOBE波。

3 優(yōu)化阻尼器剛度

圖2（a）表示結(jié)構(gòu)2在ART KOBE地震波作用下，附加阻尼器的剛度與結(jié)構(gòu)各層位移的曲線。由圖可知，結(jié)構(gòu)各層的振動(dòng)位移并不是一直隨附加阻尼器剛度的增大而減小，而是存在某一個(gè)最優(yōu)值，設(shè)定剛度為2.77E+08kN/m。

圖2(b)表示結(jié)構(gòu)3在ART KOBE地震波作用下，附加阻尼器的剛度與結(jié)構(gòu)各層位移的曲線。由圖可知，同層子結(jié)構(gòu)的位移隨著附加阻尼器剛度的增大而趨于相等，設(shè)定剛度為8.71E+07kN/m。

4 位移對(duì)比

圖3表示ART EL地震波作用下結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4各質(zhì)點(diǎn)的水平位移，圖4表示ART HACHINOHE地震波作用下各質(zhì)點(diǎn)的水平位移，圖5表示ART KOBE地震波作用下各質(zhì)點(diǎn)的水平位移。

由上圖對(duì)比可知，在三種不同地震波的作用下，附加金屬阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的減震效果都很明顯。

結(jié)構(gòu)2與結(jié)構(gòu)1相比，主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移變小，主、子結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移也明顯減小，由此可見(jiàn)，在主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器具有良好的抗震性能。

結(jié)構(gòu)3與結(jié)構(gòu)1相比，同層子結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移減小很多，說(shuō)明在子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器能有效控制子結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移。

結(jié)構(gòu)4與結(jié)構(gòu)1相比，主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移均明顯減小，且主結(jié)構(gòu)、子結(jié)構(gòu)之間的位移差和各子結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移也都明顯變小，由此可以充分看出附加金屬阻尼器的核筒懸掛結(jié)構(gòu)體系的抗震性能的優(yōu)越性[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用靜力彈塑性分析方法將附加金屬阻尼器的核筒懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)系模型后，分別對(duì)未附加金屬阻尼器、在中心核筒與懸掛子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器、在同樓層懸掛子結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器、在中心核筒與懸掛子結(jié)構(gòu)之間附加金屬阻尼器同時(shí)在同樓層懸掛子結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之間也附加金屬阻尼器的四種算例模型進(jìn)行地震響應(yīng)彈塑性時(shí)程分析，分析其減震效果。結(jié)果表明，核筒懸掛結(jié)構(gòu)附加金屬阻尼器后減震效果明顯，抗震性能優(yōu)越。附加在主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間的金屬阻尼器對(duì)減小主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移效果顯著；附加在子結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間的金屬阻尼器減小主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移以及同層子結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移效果顯著。