高層建筑中粘滯阻尼支撐布置方案探討

吳 濤，丁曉燕

（蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

高層建筑中粘滯阻尼支撐布置方案探討

吳 濤，丁曉燕

（蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

消能支撐結(jié)構(gòu)具有良好的減震效果．通過(guò)在某28層不規(guī)則建筑的不同位置設(shè)置粘滯阻尼支撐，并運(yùn)用有限元分析軟件SAP2000對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和非線性動(dòng)力時(shí)程分析，研究了支撐位置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響．

消能支撐；高層建筑結(jié)構(gòu)；模態(tài)分析；時(shí)程分析；抗震性能

國(guó)內(nèi)外研究表明，結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)不僅能防止建筑結(jié)構(gòu)整體被破壞，限制結(jié)構(gòu)損傷，而且通過(guò)合理設(shè)計(jì)能滿足用戶的舒適性要求[1-3]．粘滯阻尼支撐工程減震控制技術(shù)，是通過(guò)在高層建筑結(jié)構(gòu)的特定部位安裝由阻尼器等構(gòu)成的消能支撐，調(diào)整結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，使結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)（加速度、速度、位移）得到合理的控制．合理布置消能支撐是消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它直接影響到結(jié)構(gòu)的抗震性能以及經(jīng)濟(jì)合理性．本文主要研究消能支撐的位置對(duì)高層建筑抗震性能的影響．

1 工程概況

某綜合大廈（見(jiàn)圖1）為28層框架―筒體結(jié)構(gòu)，1―6層為商場(chǎng)，7層以上為寫(xiě)字樓．1―4層層高 4.8 m，5層以上層高3.3 m，結(jié)構(gòu)總高 98.4 m．大廈平面為L(zhǎng)形，4層以上有收進(jìn)；垂直交通中心位于 L形平面的中部，由3個(gè)筒體組成；7度抗震設(shè)防，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，II類(lèi)場(chǎng)地[4―5]．

圖1 工程立體圖

該大廈筒體位置處于建筑平面凹角處，筒體剛度大，柱列剛度小，地震時(shí)易遭受扭轉(zhuǎn)破壞，對(duì)抗震十分不利[6]．由于在兩側(cè)設(shè)置剪力墻會(huì)影響建筑平立面布置，故沿建筑物全高設(shè)置消能支撐．本研究共有 4種方案，各方案均設(shè)置112個(gè)阻尼器，如圖2所示（方案A為單斜桿式，其他為交叉形式）．

圖2 耗能支撐的布置方案

2 結(jié)構(gòu)仿真分析參數(shù)

2.1 消能支撐的模擬

在SAP2000中，用Damper單元模擬粘滯阻尼支撐，粘滯阻尼單元的阻尼系數(shù)c=5.0×103kN·s/m，阻尼指數(shù)為0.3，支撐剛度k=2.0×105kN/m[7―8]．

2.2 地震波的選用

根據(jù)抗震規(guī)范，時(shí)程分析時(shí)應(yīng)按建筑場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于2組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的加速度時(shí)程曲線．本算例輸入3條地震波（持續(xù)時(shí)間均為 12 s）進(jìn)行時(shí)程分析，分別是：EL Centro波的南北分量，時(shí)間子步為0.02 s，沿X方向輸入；考慮雙向地震作用的唐山波東西和南北分量，時(shí)間子步為0.01 s，沿X、Y雙向輸入；人工模擬的廣州波，時(shí)間子步為0.02 s，沿X方向輸入．

3 結(jié)果與分析

3.1 模態(tài)分析

原建筑結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心不重合，地震時(shí)易遭受扭轉(zhuǎn)破壞．為了充分考慮扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，模態(tài)分析時(shí)取前10階振型，前6階振型的分析結(jié)果如表1所示．

表1 原結(jié)構(gòu)與兩組消能支撐結(jié)構(gòu)的振型信息

由表1可知，原結(jié)構(gòu)第一振型主要是X方向的平動(dòng)振型，并帶有Y方向的平動(dòng)振型和很大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，這正是由于結(jié)構(gòu)平面質(zhì)量和剛度分布不均勻、不對(duì)稱所導(dǎo)致的平扭耦聯(lián)效應(yīng)；由于粘滯阻尼支撐只提供阻尼，并不能提高結(jié)構(gòu)的彈性剛度，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)置粘滯阻尼支撐后，周期和振型基本沒(méi)有變化．

3.2 時(shí)程分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防要求，多遇地震作用下的地震加速度時(shí)程曲線峰值取為 35 cm/s2，罕遇地震作用下的地震加速度時(shí)程曲線峰值取為220 cm/s2．

3.2.1 多遇地震下的時(shí)程分析

通過(guò)線性時(shí)程分析，得到抗震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的最大層間位移如圖 3―圖 6所示，最大層間位移角及對(duì)應(yīng)位置如表2所示．由于廣州波的地震響應(yīng)較小，故只給出另外兩種地震波作用下的分析結(jié)果．

圖3 EL Centro多遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖4 EL Centro多遇地震波作用下的Y向最大層間位移

圖5 雙向唐山多遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖6 雙向唐山多遇地震波作用下的Y向最大層間位移

表2 多遇地震下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角及位置

由圖3―圖6及表2可以看出，設(shè)置消能支撐后，在單向多遇地震波作用下，方案A、B、D的最大層間位移和最大層間位移角均有所減小，方案C幾乎不起抗震作用；在雙向地震波作用下，幾種方案對(duì)結(jié)構(gòu)的最大層間位移和最大層間位移角都未產(chǎn)生明顯影響．

3.2.2 罕遇地震下的時(shí)程分析

本文采用 FNA快速非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析法對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能進(jìn)行分析．考慮到結(jié)構(gòu)帶有阻尼非線性連接單元構(gòu)件，能量的耗損比例是衡量單元效用的重要指標(biāo)，因此在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，通過(guò)把阻尼和非線性單元作為時(shí)間函數(shù)來(lái)計(jì)算總輸入能量、應(yīng)變能量、動(dòng)能和能量損耗[8]，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的累積塑性滯回耗能進(jìn)行分析．

(1)位移響應(yīng)

結(jié)構(gòu)最大層間位移見(jiàn)圖7―圖10，最大層間位移角及對(duì)應(yīng)位置見(jiàn)表3．

圖7 EL Centro罕遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖8 EL Centro罕遇地震波作用下的Y向最大層間位移

圖9 雙向唐山罕遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖10 雙向唐山罕遇地震波作用下的Y向最大層間位移

從圖7―圖10及表3可看出，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的位移響應(yīng)與多遇地震類(lèi)似．單向罕遇地震作用下，方案 A、B、D的最大層間位移和最大層間位移角有所減小，在減小地震響應(yīng)效果方面，X向優(yōu)于Y向；方案C的效果仍然不佳，這主要是由于其平面位置的布置不利于構(gòu)件消能，盡管這個(gè)位置布置的金屬屈服阻尼支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的平扭耦聯(lián)效應(yīng)有一定緩解．在雙向罕遇地震波作用下，幾種方案對(duì)結(jié)構(gòu)的最大層間位移和最大層間位移角都未產(chǎn)生明顯影響．

(2)加速度響應(yīng)

從結(jié)構(gòu)平面布置的特點(diǎn)來(lái)看，平面 L形轉(zhuǎn)角處（Z1、Z2）和偏心側(cè)角柱（Z3）在地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大，因此，取 Z2、Z3頂層節(jié)點(diǎn)加速度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表4和表5．

表4 罕遇地震作用下Z2頂層節(jié)點(diǎn)加速度峰值 m/s2

表5 罕遇地震作用下Z3頂層節(jié)點(diǎn)加速度峰值 m/s2

由表4和表5可看出，設(shè)置了耗能支撐的結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的加速度蜂值略有減小，其中在唐山波作用下降低的幅度較大．綜合起來(lái)，方案B效果最好，不管是在雙向波還是單向波情況下，都具有較好的抗震效能；方案C在雙向波作用下的耗能效果相對(duì)突出，但在單向波作用下的耗能效果不明顯．

(3)結(jié)構(gòu)累積塑性滯回耗能比較

能量指標(biāo)可以較全面地體現(xiàn)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用，結(jié)構(gòu)的累積塑性滯回耗能越多，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中的累積損傷越大．4種耗能支撐結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的滯回耗能見(jiàn)表6．

從表6可看出，在單向EL-Centro波作用下方案A、B的耗能效果較好，方案D次之，方案C最差，方案B連接單元滯回約為方案C的6～7倍．但是，在雙向大能量唐山波的作用下，方案C的耗能效果反而突出．

4 結(jié)論

(1)消能支撐結(jié)構(gòu)能夠有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，尤其在強(qiáng)烈地震波（如唐山波）作用下的耗能效果更為顯著，在高層建筑結(jié)構(gòu)中具有很好的應(yīng)用前景．

(2)設(shè)置粘滯阻尼后，結(jié)構(gòu)的自振特性不變．

(3)支撐在結(jié)構(gòu)中的布置對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能起著很重要的作用，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度、地震波的類(lèi)型和地震波峰值都會(huì)對(duì)消能支撐結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及變化規(guī)律產(chǎn)生影響．因此，進(jìn)行消能支撐布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)具體需求盡可能將消能支撐布置在結(jié)構(gòu)反應(yīng)較大的部位．

[1] 王亞勇，薛彥濤，歐進(jìn)萍，等．北京飯店等重要建筑的消能減振抗震加固設(shè)計(jì)方法[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22(2)：35―39．

[2] 歐進(jìn)萍，吳斌，龍旭，等．北京飯店消能減振抗震加固分析與設(shè)計(jì)：時(shí)程分析法[J]．地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(4)：82―87．

[3] 周福霖，俞公驊，冼巧玲，等．多層和高層建筑結(jié)構(gòu)減震控制新體系[J]．工程抗震，1994，9(3)：10―14．

[4] GB 50009—2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．

[5] GB 50011—2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[6] 錢(qián)稼茹．不規(guī)則高層建筑的抗震設(shè)計(jì)概念及工程實(shí)例[J]．建筑結(jié)構(gòu)，1997(1)：30―32，40．

[7] 翁大根，盧著輝，徐斌，等．粘滯阻尼器力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]．世界地震工程，2002，18(4)：30―34．

[8] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院．SAP2000中文版使用指南[K]．北京：人民交通出版社，2006．

〔責(zé)任編輯 張繼金〕

Effect of Position of Energy-Dissipated Braces on Earthquake Resistant Performance of High-Rise Building

WU-Tao,DING Xiao-yan
(Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215011,China)

Energy-dissipated brace has a good damping effect. The earthquake-resistant performances of one 28-storey irregular high rise building with energy-dissipated brace in different position was studied by modal analysis and nonlinear dynamic time history analysis. The affection of energy-dissipated brace position on earthquake resistant performance of buildings is analyzed and some suggestions are put forward for the correlation research.

energy-dissipated brace; high-rise building; modal analysis; time-history analysis; earthquake resistant performance

TU973+.31

A

1006-5261(2010)05-0020-04

2010-04-03

吳濤（1984―），男，河南商城人，碩士研究生．