建筑結(jié)構(gòu)空間減震性能優(yōu)化技術研究

田少華，劉康寧

(1.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，濟南 250003；2.山東省建筑設計研究院有限公司，濟南 250001)

1 引言

地震是全球較頻繁的一種自然災害， 其造成的破壞也是很大的。建筑物在地震中會受到損傷，從而加快自身毀壞[1]。為防范地震給人們帶來的巨大災難， 國內(nèi)外學者在積極開展地震危險性預警研究[2]。由于地震隨機特性和預警系統(tǒng)的滯后特性，使得對地震的早期預警效果很差[3]。因此，通過合理的結(jié)構(gòu)抗震設計來改善建筑物抗震性能，是防震減災的根本措施。 傳統(tǒng)的抗震體系是強度抵抗型，即加大結(jié)構(gòu)強度，利用結(jié)構(gòu)彈塑性變形吸收能量，但由于結(jié)構(gòu)截面加大、剛度增加、質(zhì)量增大，相應的地震效應會增大，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性差。 結(jié)構(gòu)減震技術能夠有效達到減震和耗能目的，在結(jié)構(gòu)中設置黏滯阻尼器，不僅能消耗地震能量，而且能有效控制結(jié)構(gòu)變形。 本文探討在不同設計參數(shù)及布置方式下黏滯阻尼器的抗震性能， 并確定最終設計方案，為工程實踐提供一定的借鑒意義。

2 基于黏滯阻尼器的建筑結(jié)構(gòu)空間抗震性能優(yōu)化技術

在地震能作用下，通過增加構(gòu)件或設備能夠迅速、充分地消耗建筑物吸收的地震能， 從而降低建筑結(jié)構(gòu)地震響應。 另外，耗能裝置還可增強結(jié)構(gòu)主體剛度，從而達到更好的減振效果。 黏滯阻尼器主要是由鋼板和黏性液體組成，主要布置在建筑結(jié)構(gòu)的墻壁中。 內(nèi)鋼和外鋼分別固定在上下部墻體結(jié)構(gòu)上，且內(nèi)鋼在上下結(jié)構(gòu)中具有面內(nèi)可移動性。 外部震動使得上下層鋼板產(chǎn)生相對運動，從而使得內(nèi)部黏性液體剪切變形，形成阻尼力消耗地震引起的能量波動，從而達到抗震效果。 從黏滯阻尼器的原理來說，阻尼力能削弱建筑的結(jié)構(gòu)振動，但實際結(jié)構(gòu)的復雜阻尼特性導致難以精準確定振動的位置。 因此，一般將阻尼器的阻尼設為線性阻尼。 當?shù)卣鸷奢d作用時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形受力增大， 阻尼器消能結(jié)構(gòu)會率先進入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，迅速消減建筑結(jié)構(gòu)的地震反應，從而達到保護建筑主體結(jié)構(gòu)的作用。

建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能與結(jié)構(gòu)的附加阻尼和地震波的特性密切相關。 對于具有黏滯阻尼裝置的結(jié)構(gòu)，其阻尼比不宜超過0.25。 地震時多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)都會引起地震帶來的振動放大，可通過調(diào)節(jié)減震結(jié)構(gòu)的阻尼比，來降低其在地震作用下的反應。黏滯阻尼器不同的連接方式對于結(jié)構(gòu)在地震作用下的影響也是不同的，單斜撐、交叉斜撐等連接方式在實際建筑工程中應用較多。 從目前研究來看，研究者在阻尼器結(jié)構(gòu)的目標函數(shù)問題上已經(jīng)取得不錯成果，得出以頂層位移、層間位移角等控制目標的目標函數(shù)。 此外，振型也是重要的控制目標研究方向，以振型為控制目標的目標函數(shù)通過時程分析進行樓層情況分析，利用多次循環(huán)的方式確定最大指標的位置，然后對阻尼器結(jié)構(gòu)矩陣進行對應修改，從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)的豎向位置設計。

黏滯阻尼器是一種被動控制設備，主要用于高層建筑。 對于耗能減振結(jié)構(gòu)，當使用黏滯阻尼器時，其阻尼系數(shù)、阻尼指標等參數(shù)不同時，其減振效果也有所不同。 阻尼系數(shù)會直接影響阻尼器效果，不同參數(shù)下的阻尼力之間存在較大差異，還需考慮到諸如黏滯阻尼器元件自身的磨損與失效。

3 基于黏滯阻尼器的建筑結(jié)構(gòu)空間抗震性能優(yōu)化技術仿真實驗

3.1 考慮黏滯阻尼器參數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能驗證

此次研究基于以“L”形非規(guī)則鋼筋砼框架為主體的工程實例。主體結(jié)構(gòu)共15 層，總高60.2 m，第1～4 層樓高4.6 m，其余層樓高3.8 m。 該建筑物在橫向共有7 跨，每跨跨度6.1 m，全長42.7 m；縱向共有5 跨，每跨跨度6.1 m，總寬度30.5 m。本項目選擇EL-Centro 地震波為試驗波形。 本研究選取的建筑物共15 層，每一層最大層間位移隨著黏滯阻尼器數(shù)量的增加而減小。 此次實驗共采用110 個黏滯阻尼器，選擇人字形連接方式的黏滯阻尼器布置方式。實驗采用SAP 2000 軟件輔助分析，該軟件適用于建筑結(jié)構(gòu)設計、分析與研究，可以對鋼筋混凝土、鋼筋、混雜結(jié)構(gòu)進行設計與分析，其分析功能涵蓋了建筑工程學的所有方面。 本文所選擇的單體建筑結(jié)構(gòu)，安全等級為二級，設計工作年限為50 a，其抗震設防烈度為8 度（0.20g）。

當建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形時， 黏滯阻尼器的控制效果就會趨近于零。 此時阻尼器就不會為原建筑結(jié)構(gòu)增加附加剛度，也不會對建筑結(jié)構(gòu)的自振周期產(chǎn)生較大程度的影響，不會導致周期發(fā)生較大的變動。 黏滯阻尼器能夠在保證原有結(jié)構(gòu)減震性能的前提下，提高減震效果。 在使用黏滯阻尼器時，必須先確定其阻尼系數(shù)及阻尼指標，才能確定其阻尼力。 方案1的阻尼系數(shù)為300 kN·s/m，阻尼指數(shù)為0.15；方案2 的阻尼系數(shù)與方案一保持一致，阻尼指數(shù)為0.30。

圖1 顯示了在EL-Centro 地震波激勵下， 兩種不同抗震方案及原有結(jié)構(gòu)的位移結(jié)果。 結(jié)果表明，在地震作用下，原有結(jié)構(gòu)的最大樓層位移明顯降低。 在EL-Centro 波作用下，方案2 比原建筑結(jié)構(gòu)橫向減少69.59%， 縱向減少55.47%； 方案1比原建筑結(jié)構(gòu)橫向減少46.23%，縱向減少31.76%。 由圖1 中數(shù)據(jù)可知，抗震結(jié)構(gòu)的橫向減震效果比縱向好，而且相較于方案1，方案2 的作用效果更明顯，說明阻尼指數(shù)較大時，其消能減震結(jié)構(gòu)的耗能減震性能更優(yōu)。

圖1 EL-Cent r o 波作用下兩種抗震方案的樓層位移結(jié)果

圖2 為EL-Centro 波作用下， 兩種抗震方案和原結(jié)構(gòu)下的層間位移角。 圖2 中結(jié)果顯示， 對原結(jié)構(gòu)加設黏滯阻尼器后，其黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)的最大位移角有很大程度的減小。 方案2 的作用效果更明顯，進一步驗證了當阻尼指數(shù)較大時黏滯阻尼器耗能減震性能更優(yōu)的結(jié)果。

圖2 EL-Cent r o 波作用下兩種抗震方案下的層間位移角

3.2 考慮黏滯阻尼器位置的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能驗證

在實際工程中， 黏滯阻尼器的布置方式對結(jié)構(gòu)的減震效應也有較大影響。 因此，對黏滯阻尼器布置方式進行合理選擇不但可以保證結(jié)構(gòu)的安全性能，而且還可以減少使用數(shù)量，從而獲得更大的經(jīng)濟利益。 以上述試驗中的單體結(jié)構(gòu)為例，優(yōu)化設置黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)方案， 并將其在不同布置方案中的抗震效果進行對比，為實際工程提供參考。 為了清晰展示不同阻尼器布置方案產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)抗震效果差異， 此次研究在阻尼器布置數(shù)量相同的條件下， 對兩種不同黏滯阻尼器位置布置方案進行實驗分析。 方案一：黏滯阻尼器在各層均勻布置，并在每層對稱布置7 個。 方案二：采用加權(quán)系數(shù)法對黏滯阻尼器進行布置。 該方法基本步驟為：第一步，求出該結(jié)構(gòu)所需黏滯阻尼器總數(shù)；第二步，用原始結(jié)構(gòu)層間位移角作為指數(shù)，求出每層層間位移角所占的全部層間位移角， 并求出每層所需黏滯阻尼器數(shù)量；第三步，將所有黏滯阻尼布置設置完畢。

通過對比分析， 發(fā)現(xiàn)兩種不同位置布置抗震結(jié)構(gòu)相對原結(jié)構(gòu)抗震效果較好。 圖3 結(jié)果表明，在EL-Centro 波作用下，最大和最小阻尼分別達到了82.45%和25.36%的水準，兩種布置方式都起到了相當?shù)臏p震作用。 通過對兩種布置方式的比較，得出方案2 布置方式的抗震效果比方案1 更好。 表明合理布置黏滯阻尼裝置可以有效地改善建筑結(jié)構(gòu)的抗震反應。

圖3 EL-Cent r o 波作用下位置布置方案的樓層位移結(jié)果

4 結(jié)論

此次研究分別進行了考慮黏滯阻尼器參數(shù)和考慮黏滯阻尼器位置的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能仿真實驗， 兩個實驗均設置了兩種方案。 最終實驗結(jié)果顯示：第一個實驗，在EL-Centro 波作用下， 方案2 比原建筑結(jié)構(gòu)橫向減少69.59%， 縱向減少55.47%；相較于方案1 來說，方案2 的作用效果更佳，證明當阻尼指數(shù)較大時，阻尼器減震結(jié)構(gòu)的耗能減震性能更優(yōu)。 第二個實驗得出方案二布置方式的抗震效果比方案一更好的結(jié)論。 該研究可為工程實踐提供一定的借鑒意義。