黏滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)抗震加固中的應(yīng)用與研究①

張 平

(安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,安徽 安慶 246003)

0 引 言

耗能減震技術(shù)就是在結(jié)構(gòu)的選定位置增設(shè)耗能裝置,在小震作用下,耗能裝置和結(jié)構(gòu)一并處于彈性狀態(tài),可減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),使結(jié)構(gòu)主體處于安全范圍,一旦出現(xiàn)大震,這些裝置可以在結(jié)構(gòu)破壞前率先達(dá)到屈服狀態(tài),來(lái)消耗大部分能量。近年來(lái)利用耗能減震器對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震加固得到了廣泛關(guān)注。

1 結(jié)構(gòu)模型建立及阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)模型建立

工程結(jié)構(gòu)為一棟形狀規(guī)則的4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。原結(jié)構(gòu)按照抗震設(shè)防烈度7度(0.15g)設(shè)計(jì)、建造,隨著《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)[1]的正式實(shí)施,該工程建設(shè)所在區(qū)域的抗震設(shè)防烈度提高為8度(0.2g),所以需要對(duì)該工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加固。結(jié)構(gòu)高寬比是0.783,地上四層,一層層高為4.2m,二至四層層高均為3.3m,結(jié)構(gòu)總重6110kN。柱截面尺寸為400mm×400mm,梁截面尺寸主要為300mm×300mm,板厚為100mm。工程軟件盈建科(YJK)模型如圖1所示。

圖1 YJK結(jié)構(gòu)模型圖

此模型選用的工程實(shí)例建模通過(guò)YJK完成,但ETABS對(duì)于減震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的分析更加全面且便捷。通過(guò)計(jì)算分析轉(zhuǎn)化前后兩種軟件所建模型的總質(zhì)量、前6階自振周期、以及層間剪力的差值均在5%以?xún)?nèi),這說(shuō)明采用ETABS建立的有限元模型來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的減震計(jì)算是可行的。

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[2]求選擇地震波信息見(jiàn)表1。

1.2 黏滯阻尼器的布置及其參數(shù)設(shè)計(jì)

首先采用控制變量法進(jìn)行最優(yōu)位置的選擇。暫定VFD參數(shù),改變其設(shè)置位置,并提取各種設(shè)置情況下的層間位移角等地震響應(yīng)。經(jīng)數(shù)十組試算后數(shù)據(jù)的比對(duì)和篩選,在結(jié)構(gòu)中安裝28個(gè)黏滯阻尼器,根據(jù)阻尼器的布置,進(jìn)行VFD參數(shù)設(shè)計(jì),通過(guò)試算法、控制變量法對(duì)阻尼器參數(shù)進(jìn)行研究,綜合考慮后,選用VFD參數(shù)為阻尼系數(shù)c=1000kN·s/m,速度指數(shù)α=0.3。

表1 地震動(dòng)詳細(xì)信息

2 減震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

2.1 結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的響應(yīng)分析

多遇地震作用下各層位移角的包絡(luò)值連線圖如圖2所示。

(a) X向位移角

(b) Y向位移角

由圖2可以看出,在無(wú)控結(jié)構(gòu)X,Y方向中,第一至三層均有較大的層間位移角,不滿足鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層間位移角小于1/550的限值要求;在設(shè)置了28個(gè)黏滯阻尼器后,各個(gè)樓層的位移角大幅度減小,各層位移角均小于規(guī)范中容許的限值。

另外,在三條地震波作用下,頂層樓板X(qián),Y向加速度在結(jié)構(gòu)設(shè)置了28個(gè)黏滯阻尼器后,減震率基本均超過(guò)50%。結(jié)構(gòu)基底剪力X向平均減震率達(dá)到40%,Y向平均減震率達(dá)到36.2%。

2.2 結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的響應(yīng)分析

基于塑性鉸模型建立整體的彈塑性模型。對(duì)于梁?jiǎn)卧捎昧簭澢q(M3鉸),對(duì)于柱單元采用柱彎曲鉸(P-M2-M3鉸)。計(jì)算各地震波各榀框架響應(yīng),并取典型框架代表。取三條地震波作用下層間位移角的包絡(luò)值繪圖如圖3所示。由圖3可以看出,罕遇下X,Y方向最大層間位移角出現(xiàn)在第一至三層,設(shè)置VFD后,各層位移角均有明顯地降低。

(a) X向位移角

(b) Y向位移角

此外,X,Y向的頂層相對(duì)位移峰值均得到了有效的控制,減震率均達(dá)到40%以上。結(jié)構(gòu)在X,Y方向上基底剪力的峰值都得到的有效的控制,其平均減震率接近40%。選取XY方向各一個(gè)阻尼器,繪制其在ELC地震波作用下的滯回耗能曲線如圖4所示。

(a) X向K1阻尼器滯回曲線

(b) Y向K17阻尼器耗能曲線

由圖4可知,K1和K17阻尼器在地震作用下的滯回曲線都很飽滿,整體呈橢圓形,其中K1阻尼器的最大出力達(dá)到608kN;K17最大出力達(dá)到633 kN。這表明X,Y方向的黏滯阻尼器在地震作用下均能產(chǎn)生很好的耗能效果。

塑性鉸的屈服狀態(tài)就是將它在時(shí)程分析整個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)角與它自身的極限變形能力對(duì)比。根據(jù)三水準(zhǔn)IO(立即入住,變形達(dá)到極限的10%),LS(生命安全,變形達(dá)到極限的60%),CP(防止倒塌,變形達(dá)到極限的90%),來(lái)進(jìn)行塑性鉸分類(lèi)[3]。

未設(shè)置VFD結(jié)構(gòu),在地震波作用下,約61.9%的梁出現(xiàn)塑性變形,但變形較小處于“B-IO”階段,有38.1%的梁鉸處于變形較嚴(yán)重的“IO-LS”階段;約73.3%的柱處于“A-B”階段,有26.7%的柱鉸處于變形較小的“B-IO”階段。設(shè)置VFD結(jié)構(gòu),地震作用下基本無(wú)框架柱塑性鉸的出現(xiàn),且梁端均無(wú)處于“IO-IS”階段的塑性鉸出現(xiàn),頂層梁基本處于彈性階段?？梢钥闯霾贾灭枘崞骱?結(jié)構(gòu)整體控制變形的能力得到了顯著增強(qiáng)。

3 基于云圖法的結(jié)構(gòu)概率地震需求分析

云圖法[4],即選擇一系列地震動(dòng)對(duì)確定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算,得到相應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果,根據(jù)反應(yīng)結(jié)果再利用統(tǒng)計(jì)回歸技術(shù)求得結(jié)構(gòu)概率地震需求模型[5～6],這是進(jìn)行地震需求易損性分析的基礎(chǔ)。

3.1 概率地震需求模型建立

結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度為8度(0.2g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),結(jié)構(gòu)基本周期為0.82s。首先選擇震級(jí)與震中距作為平面劃分的依據(jù),并將震級(jí)=5.7級(jí)作為分劃震級(jí)強(qiáng)弱的邊界,以震中距=30km作為分劃地震距離大小的邊界。從太平洋地震工程研究中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇108條地震波。選用譜加速度Sa(5%,T1)作為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)(Intensity Measure,IM),最大層間位移角作為結(jié)構(gòu)地震需求參數(shù)(Engineering Demand Parameter,EDP),從而得出“Sa-θmax”云圖。

根據(jù)得出的云圖,對(duì)Sa與θmax進(jìn)行對(duì)數(shù)線性回歸,分別得到無(wú)控結(jié)構(gòu)、有控結(jié)構(gòu)的概率地震需求模型。

無(wú)控結(jié)構(gòu):

lnEDP=0.9912lnIM-3.9572

(1)

有控結(jié)構(gòu):

lnEDP=0.8557lnIM-5.4524

(2)

3.2 地震需求易損性分析

以有、無(wú)控狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的概率地震需求模型作為基礎(chǔ),進(jìn)行結(jié)構(gòu)的概率地震需求分析。

采用對(duì)數(shù)正態(tài)累積分布來(lái)表示地震易損性模型:

(3)

聯(lián)立以上,則得地震易損性模型:

(4)

式(3)-(4)中,d表示結(jié)構(gòu)地震需求的某一限值,Φ是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)隨機(jī)變量概率分布函數(shù),β是結(jié)構(gòu)的地震需求對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差:

(5)

N為地震動(dòng)記錄數(shù)等于108。

根據(jù)我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,對(duì)本結(jié)構(gòu)而言,彈性階段取θmax=1/550,塑性階段取θmax=1/50。由此確定“輕微破壞、中度破壞、嚴(yán)重破壞、倒塌”的位移角限值分別為1/550,2/550/,4/550,1/50。

利用Matlab軟件處理數(shù)據(jù),可得結(jié)構(gòu)在不同地震需求限值下的地震需求易損性曲線如圖5所示。

(a)d1=1/550

(b)d2=2/550

(c)d3=4/550

(d)d4=1/50

如圖5所示,無(wú)論無(wú)控結(jié)構(gòu)或有控結(jié)構(gòu),隨著性能指標(biāo)要求的降低(從“輕微破壞”到“倒塌”),結(jié)構(gòu)的易損性曲線趨于扁平、平緩,這符合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和易損性曲線的性質(zhì)。而當(dāng)確定性能指標(biāo)及確定位移角限值時(shí),比較有無(wú)控制下的地震需求易損性曲線,可以看出有控制下的結(jié)構(gòu)的曲線總是更加趨于扁平的,及在相同的Sa(5%,T1)下,有控制下的結(jié)構(gòu)其對(duì)應(yīng)的超越概率總是小于無(wú)控結(jié)構(gòu)的。特別是當(dāng)性能指標(biāo)為“嚴(yán)重破壞”和“倒塌”時(shí)(及對(duì)應(yīng)位移角d3=4/550,d4=1/50時(shí)),當(dāng)Sa(5%,T1)在0g～2g的范圍內(nèi)時(shí),這一差別更為明顯。這也從易損性的角度說(shuō)明了對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)置黏滯阻尼器后大大提高了結(jié)構(gòu)的減震加固效果。