鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)減震控制

田林林，劉洲，秦乃兵

(華北理工大學(xué) 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

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鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)減震控制

田林林，劉洲，秦乃兵

(華北理工大學(xué) 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

鋼骨混凝土；被動控制；消能減震；布置方案；層間位移；層間剪力；整理位移

針對建筑結(jié)構(gòu)的控制主要討論被動控制，被動控制中消能減震備受關(guān)注。對1棟18層鋼骨混凝土組合建筑進行消能減震研究，在結(jié)構(gòu)安裝粘滯阻尼器，實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)的被動控制。設(shè)置3種粘滯阻尼器的布置方案，使用1種有代表性的地震波作用。分析得到在不同粘滯阻尼器布置下建筑結(jié)構(gòu)的層間位移、層間剪力和整理位移，并對結(jié)果進行比對，得出最佳的減震控制的布置方案。在鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)減震控制研究中取得成效。

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化規(guī)劃的日益完善以及土木工程技術(shù)的進一步健全，人們對建筑更高、跨度更大和結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的需求更加強烈。鋼骨結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合[1]是最完美的組合方式之一，可利用2種建筑材料的最佳特性，提高了施工進度，帶來了經(jīng)濟效益，在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。由于近幾年地震頻繁發(fā)生，對建筑結(jié)構(gòu)的減震消能控制研究已成為土木研究者的熱與研究課題。建筑結(jié)構(gòu)受到地震能量破壞時，為了使建設(shè)結(jié)構(gòu)本身消耗能量減少，需安裝可分擔(dān)能量的裝置。多年來經(jīng)過國內(nèi)外研究人員對結(jié)構(gòu)控制研究[2]，已經(jīng)取得很大進展。結(jié)構(gòu)控制以被動控制最為常見，粘滯阻尼器是現(xiàn)今建筑消能減震使用最多的裝置之一，具有安裝簡單和節(jié)約資金等優(yōu)點。

在鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)中，合理地安裝阻尼器不僅可以使結(jié)構(gòu)消能減震達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，而且具有節(jié)約阻尼器使用個數(shù)等優(yōu)點。粘滯阻尼器只是起到減震消能作用，不能提高建筑結(jié)構(gòu)本身的剛度和強度。該項目通過對實際工程開展研究，采用SAP2000大型有限元分析軟件分析建筑模型得到有效數(shù)據(jù)，并得出粘滯阻尼器的合理布置方法。

1 工程實例和有限元模型建立

1.1工程概況

該項工程為河北省唐山市某酒店二期工程，層高均為4.5 m，該建筑是高度為81.5 m的18層建筑，6～18層分為南北雙塔，1～5層為商業(yè)用房；6層及其以上北塔為辦公用房，南塔6～11為酒店，12層為設(shè)備夾層，其余為辦公用房。抗震等級為2級抗震；建筑場地為Ⅱ類；基礎(chǔ)形式為整體式筏板基礎(chǔ)；建筑抗震設(shè)防類別為丙類；住宅結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有規(guī)定的物理、力學(xué)性能和耐久性能，并應(yīng)符合節(jié)約資源和保護環(huán)境的原則。

1.2有限元模型

該項工程是鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)的有限元模型，在使用SAP2000大型有限元軟件分析計算時，用梁柱體和墻體2種單元建模。分析程序有ETABS,梁、柱采用Frame單元，墻采取Shell單元，阻尼器附加Damper單元。此工程模型共產(chǎn)生了4 316個結(jié)點，5 614個單元。材料按其規(guī)范設(shè)置,自重由軟件自動加載。模型構(gòu)件尺寸為主梁截面有3種，分別是500 mm×900 mm、600 mm×1000 mm、700 mm×1 200 mm;次梁截面為400 mm×900 mm；柱子截面3種分別為1 000 mm×1 300 mm 、1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm ,H型HN700 mm×300 mm×13 mm×20 mm ,剪力墻1～2層厚度為300 mm，3～8層250 mm，8層以上200 mm。樓板厚度為160 mm現(xiàn)澆鋼筋混凝土。混凝土用C40，鋼筋主筋為HRB400，如圖1所示。

表1所示為設(shè)計采取的布置活荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

表1　設(shè)計采用的均勻活荷載標(biāo)準(zhǔn)值[3]

注：考慮施工期間堆載時住宅地下1層頂板活荷載不大于5 kN·m-2；

樓梯、陽臺及上人屋面等的欄桿頂部水平荷載為1.0 kN·m-1。

鋼筋混凝土挑檐、雨篷和預(yù)制小梁施工或檢修集中荷載(人和小工具的自重)不得超過1.0 kN，其他部位的使用荷載及施工期間的堆料荷載不得超過表中各值。

圖1　模型圖

1.3使用地震波

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3](GB50011-2010)的要求，選地震波為EL CENTRO波，如圖2、圖3所示為EL CENTRO波各方向的時間-加速度曲線。

圖2　EL CENTRO波東西向加速度時程曲線

圖3　EL CENTRO波南北向加速度時程曲線

2 粘滯阻尼器布置方案

在布置方案里X和Y方向阻尼安裝不同消能減震的結(jié)果也不相同。為了確保此因素不影響研究目的，在幾種方案里X和Y方向布置相同的阻尼個數(shù)。方案一共布置270個阻尼,X、Y方向分別布置150個和120個。使用的阻尼參數(shù)為C=300 kN·S·mm-1、=0.20、行程為150 mm 、最大阻尼Fmax=750 kN。

阻尼器的布置方案，在平面上布置是將阻尼器布置在純框架上。阻尼器豎向布置，由于建筑頂層是裝飾或者單獨的結(jié)構(gòu)不布置阻尼器?？紤]除頂層外其余16樓層布置，方案一豎向均勻布置，對建筑結(jié)構(gòu)2～17層純框架部位，每層均勻布置如圖4所示，每層布置18個，X和Y方向各為10個和8個。方案二根據(jù)層間位移布置，在位移最大樓層布置。3～14層布置(同上)。2種布置方法粘滯阻尼器安裝位置在框架、鋼骨結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置。

圖4　粘滯阻尼器的平面布置

3 數(shù)據(jù)分析

3.1層間位移分析

在地震波作用下層間位移的平均值如圖5所示。X和Y方向上大體相同，在沒有安裝阻尼裝置下，建筑結(jié)構(gòu)的減震消能能力弱，結(jié)構(gòu)變形大。方案一是每層均勻布置阻尼器，相對無控制結(jié)構(gòu)來說，消能減震效果明顯增強，X方向?qū)娱g位移最大減少率為19.7%，Y方向?qū)娱g位移最大減少率為20.1%，由于2個方向安裝的阻尼個數(shù)相同，布置的位置屬于同一類，所以減震效果大致相同。方案二是在出現(xiàn)最大層間位移層布置，X方向?qū)娱g位移最大減少率為34.9%，Y方向?qū)娱g位移最大減少率為27.6%，相對方案二布置更合理，起到消能減震效果更加明顯。

圖5　3種方案的層間位移結(jié)果

3.2層間剪力分析

在地震波作用下層間剪力結(jié)果如圖6所示。建筑結(jié)構(gòu)在無控制情況下，底層剪力值X和Y分別達(dá)到了35 000 kN和37 200 kN，頂層是裝飾結(jié)構(gòu)無層間剪力產(chǎn)生。方案一X方向?qū)娱g力最大減少率15.8%，Y方向?qū)娱g力最大減少率16.4%。方案二X方向?qū)娱g力最大減少率20.7%，Y方向?qū)娱g力最大減少率21.9%。2種方案都很大程度上減少了層間剪力值，但方案二效果更加明顯。

圖6　3種方案層間剪力結(jié)果

3.3整體位移分析

在地震波作用下整體位移沿高度變化如圖7所示。建筑結(jié)構(gòu)在無控制情況下，X、Y方向最大整體位移分別是142 mm、169 mm。建筑結(jié)構(gòu)增加粘滯阻尼器后，方案一X方向最大整體位移為129 mm，Y方向最大整體位移為135 mm，最大減少率為20.1%；方案二X方向最大整體位移為131 mm，Y方向最大整體位移為140 mm，最大減少率為17.1%。2種方案都對建筑結(jié)構(gòu)起到了消能減震的作用，但由于布置粘滯阻尼器考慮的問題不一樣，減震效果有差異，方案一對整體位移減少更為明顯，但方案二在位移變化最大處有明顯的減緩趨勢。

圖7　3種方案整體位移沿高度變化結(jié)果

4 結(jié)論

(1)在變形最大處布置阻尼器能充分發(fā)揮粘滯阻尼器的作用，安裝在變形小的位置，不僅達(dá)不到減震消能的效果，而且造成資源的浪費。合理布置粘滯阻尼器能充分地避免結(jié)構(gòu)變形最大處的破壞，使建筑的使用和安全得到提高。

(2)在合理布置消能減震裝置不僅能有效的減少結(jié)構(gòu)的層間位移及層間剪力，而且還大幅度的減少了結(jié)構(gòu)的整體位移。在實際工程中具體情況具體分析，通過模擬分析得到最佳的合理布置消能減震裝置。

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Vibration Control of Steel-reinforced Concrete Composite Structure

TIAN Lin-lin, LIU Zhou, QING Nai-bing

(Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,North China University of Science and Techonlogy,Tangshan Hebei 063009,China)

steel-reinforced; passive control; energy dissipation; layout scheme; story displacement; inter-laminar shear; overall displacement

Aiming at the building control, the passive control, was discussed energy dissipation has attracted much attention. The energy dissipation of a building with 18-storey steel-reinforced concrete steel composite structures was researched, viscous dampers were installed to of realize the passive control of the building structure. Three kinds of layout scheme viscous dampers were set up, a typical seismic wave was used in the research were compared. Interlayer displacement and inter laminar shear of the structure in different layout of viscous dampers, and the results, optimal layout scheme of damping control was obtained. The study of seismic control of the steel-reinforced concrete composite structure is effective.

2095-2716(2016)03-0108-06

TU352.11

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