線性粘滯阻尼器布置方案對框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

李 陽，　張 敏

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

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線性粘滯阻尼器布置方案對框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

李 陽，張 敏

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006)

為研究線性粘滯阻尼耗能框架的地震反應(yīng)，采用SAP2000分析了一座10層框架結(jié)構(gòu)安裝線性粘滯阻尼器之后，在地震作用下的地震反應(yīng)。考慮了五種不同的阻尼器布置方案，其中三種方案為對稱布置，但阻尼器布置位置不同；兩種方案為非對稱布置，且其中一種方案只在結(jié)構(gòu)一側(cè)布置阻尼器，由此探討了阻尼器布置方式對框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響?？傻脤ΨQ布置方案結(jié)構(gòu)各樓層減震效果良好，并且三種布置方案地震反應(yīng)和減震效果基本相同；非對稱布置方案相對前三種布置方案減震效果較差，這是由于阻尼器布置不對稱，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)，增大結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。因而阻尼器應(yīng)在結(jié)構(gòu)中靈活對稱布置，不宜采用非對稱形式布置。

粘滯阻尼器；框架結(jié)構(gòu)；布置方案；地震反應(yīng)

1 研究現(xiàn)狀

地震對人類社會破壞性極強(qiáng)，傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)通過改變結(jié)構(gòu)自身的剛度及質(zhì)量分布來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。消能減震結(jié)構(gòu)是近年來提出并得到廣泛應(yīng)用的一種先進(jìn)技術(shù)，它是通過在結(jié)構(gòu)中安裝消能減震裝置，以消耗、吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，從而減弱結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)耐震能力。

結(jié)構(gòu)中布置阻尼器，增大了結(jié)構(gòu)的阻尼比，但振動方程阻尼矩陣不再對振型具有正交性，因此常規(guī)的振型分解反應(yīng)譜法已不再適用，國內(nèi)外很多學(xué)者對該問題進(jìn)行了大量的研究。2004年，湯昱川等[1]在基于空間桿系結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼矩陣、動力平衡方程，并在高層建筑結(jié)構(gòu)動力分析程序HBTA中增加了對附加粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)的非線性動力分析功能；1999年，歐進(jìn)萍等[2-3]研究了耗能減震結(jié)構(gòu)非正交阻尼矩陣強(qiáng)行解耦的精度和實(shí)際應(yīng)用，提出了在振型分解反應(yīng)譜法中可將阻尼器統(tǒng)一歸結(jié)為結(jié)構(gòu)附加振型阻尼比的方法；2000年，徐趙東等[4]利用開爾文模型描述阻尼器的耗能特性，將被動控制結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程用狀態(tài)空間法描述，之后采用MATLAB的SIMULINK模塊進(jìn)行求解，并給出了相應(yīng)算例。

隨著阻尼器的廣泛應(yīng)用，眾多學(xué)者針對結(jié)構(gòu)功能要求提出了控制函數(shù)來優(yōu)化阻尼器在結(jié)構(gòu)中的布置，如層間位移角控制函數(shù)、振型控制函數(shù)等。1999年,周云等[5-6]根據(jù)粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的性能和特點(diǎn)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如以層間位移為控制函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；2001年,黃銘楓等[7]采用遺傳算法(GA)來確定減震結(jié)構(gòu)中各層阻尼器的數(shù)量，并根據(jù)阻尼器耗能特性及建筑規(guī)范對抗震結(jié)構(gòu)給出了評價函數(shù)，從而得到了阻尼器分布的優(yōu)化布置方案。

本文針對設(shè)置粘滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)，通過對五種不同布置工況下的耗能減震框架進(jìn)行地震反應(yīng)分析，探討了阻尼器布置形式對框架結(jié)構(gòu)減震效果的影響。

2 工程實(shí)例

該工程為一棟10層混凝土框架結(jié)構(gòu)，底層層高4.5 m，其余各均為3.3 m，結(jié)構(gòu)總高34.2 m，結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示；該框架抗震設(shè)防烈度為8度(0.30 g)，地震分組第2組，設(shè)防類別丙類；梁板柱混凝土強(qiáng)度等級均為C30。樓屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值10 kN/m2，樓屋面活載標(biāo)準(zhǔn)值2 kN/m2；梁截面尺寸為300 mm×650 mm，板厚100 mm，柱截面尺寸為600 mm×750 mm；阻尼器布置方案見圖2。

對于圖2所示設(shè)置粘滯阻尼器的框架結(jié)構(gòu)，分別考慮四類場地的地震波，即：Ⅰ類場地OROVILLE波、Ⅱ類場地El-Centro波、Ⅲ類場地HOLLYWOOD STORAGE波、Ⅳ類場地天津波。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)，地震波的峰值加速度為110 gal(cm/s2)。

圖1　框架結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)

圖中帶括號數(shù)字，例如(1-10)代表框架該跨第1～第10層布置阻尼器，其他類同。圖2(a)～圖2(c)為阻尼器對稱布置方案;圖2(d)和圖2(e)為阻尼器非對稱布置方案，其中圖2(e)為阻尼器全部布置在結(jié)構(gòu)一側(cè)。圖中各方案同一樓層阻尼系數(shù)總和等于該樓層的框架榀數(shù)乘以5×107N·s/m。

2.1 結(jié)構(gòu)自振周期

應(yīng)用SAP2000軟件模態(tài)分析法，分別得結(jié)構(gòu)自振周期為T1=1.240 s，T2=1.163 s，T3=1.036 s。

結(jié)構(gòu)自振周期是結(jié)構(gòu)自身動力特性的反應(yīng)，與結(jié)構(gòu)的高度H、寬度B相關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期接近特征周期時，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最為強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)的特征周期與結(jié)構(gòu)場地類別有關(guān)。因此針對該結(jié)構(gòu)選取了四類不同場地的地震波，研究場地類別對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。該框架結(jié)構(gòu)布置規(guī)則，第一振型表現(xiàn)為橫向平動，第二振型表現(xiàn)為縱向平動，第三振型表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)為主。

2.2 結(jié)構(gòu)樓層相對基礎(chǔ)的最大位移響應(yīng)

地震作用下框架結(jié)構(gòu)相對基礎(chǔ)的樓層最大側(cè)移見圖3。

(1)對于阻尼器對稱布置方案，結(jié)構(gòu)各樓層最大位移反應(yīng)與相應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)相比均減小顯著，且減震效果基本一致，可見當(dāng)阻尼器在結(jié)構(gòu)中對稱設(shè)置時，能產(chǎn)生幾乎相同的減震效果。

(2)對于阻尼器布置方案d、方案e，結(jié)構(gòu)各樓層最大位移反應(yīng)相對前三種布置方案效果較差；當(dāng)阻尼器僅設(shè)置在結(jié)構(gòu)一側(cè)時，結(jié)構(gòu)各樓層的最大位移反應(yīng)，甚至相對于相應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)的對應(yīng)值還要大得多。這是由于阻尼器布置不對稱造成了結(jié)構(gòu)在地震作用時發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)位移，故各樓層位移反應(yīng)增大，因此阻尼器在結(jié)構(gòu)中應(yīng)對稱布置，否則將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

2.3 結(jié)構(gòu)最大層間位移角響應(yīng)

層間位移角即樓層層間最大位移與對應(yīng)樓層層高的比值，地震作用下框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大層間位移角見圖4。

圖2　阻尼器布置方案簡圖(單位：mm)

(1)對于對稱布置方案，其層間位移角相對相應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)顯著減小，減震效果較好，表明阻尼器對稱布置方案減震效果基本相同。

圖3　框架結(jié)構(gòu)相對基礎(chǔ)的樓層最大側(cè)移

(2)對于阻尼器非對稱布置方案，結(jié)構(gòu)各樓層最大層間位移角相對于前三種布置方案減震效果降低，并且布置方案e，即只在結(jié)構(gòu)的右半側(cè)布置阻尼器，地震作用下各樓層最大層間位移角甚至比傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)還要大，這是由于阻尼器布置不對稱使結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，增大了樓層最大層間位移角。可見，阻尼器不宜采用非對稱的形式設(shè)置在結(jié)構(gòu)中。

圖4　地震作用下框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角

3 結(jié)論

采用SAP2000軟件進(jìn)行了不同布置工況下的耗能減震10層框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，由此得出下面結(jié)論：

(1)地震作用下對于阻尼器均勻?qū)ΨQ布置方案，結(jié)構(gòu)各樓層最大樓層側(cè)移和最大層間位移角相對相應(yīng)抗震結(jié)構(gòu)均顯著減小，減震效果良好，并且三種布置方案，地震反應(yīng)和減震效果基本相同。

(2)地震作用下對于阻尼器非對稱布置方案，結(jié)構(gòu)各樓層最大樓層側(cè)移和最大層間位移角相對前三種布置方案降低效果較差，因而阻尼器應(yīng)在結(jié)構(gòu)中靈活對稱布置，不宜采用非對稱形式布置。

[1]湯昱川,張玉良,張銅生.粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)的非線性動力分析[J].工程力學(xué),2004,21(1):67-71，158

[2]歐進(jìn)萍,吳 斌,龍 旭.耗能減振結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法[J].地震工程與工程振動,1998,18(2):98-107

[3]歐進(jìn)萍,吳 斌,龍 旭.耗能減振結(jié)構(gòu)的抗震分析與設(shè)計(jì)方法[J].振動工程學(xué)報,1999(2):55-62

[4]徐趙東,郭迎慶,周 云,等.被動控制結(jié)構(gòu)的SIMULINK動態(tài)仿真分析[J].工程抗震,2000(4):18-22

[5]周 云,徐趙東,鄧雪松.粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)中阻尼器的優(yōu)化設(shè)置[J].世界地震工程,1998,14(3):15-20

[6]徐趙東,周 云,趙鴻鐵.粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,1999(3):44-46，50

[7]黃銘楓,唐家祥.高層建筑粘彈性阻尼器的優(yōu)化設(shè)置[J].華中科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2001(11):73-75

On the Effect of the Layout Scheme of Linear Viscous Dampers on the Seismic Response of the Frame Structure

LI Yang,ZHANG Min

(College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

In order to study the seismic response of the frame structure with linear viscous dampers,the SAP2000 is used for analyzing the seismic response of a 10-storey frame structure with linear viscous dampers under the action of an earthquake in the paper.Five different layout schemes are considered for the layout of linear viscous dampers, in three of which the viscous dampers are symmetrically arranged but are placed in different positions,in two of which the viscous dampers are asymmetrically arranged,and in one of which the linear viscous dampers are arranged on only one side of the frame structure, upon the basis of which the effects of different layouts of the linear viscous dampers on the seismic response of the frame structure under the action of an earthquake are explored in the paper.It is found that with the symmetrical layout schemes,the damping effect of each floor is good,and the effects of the seismic response and the shock absorption are fundamentally the same;with the asymmetric layout schemes,the damping effect is poor compared with that of the previous three layout scheme because of the asymmetric layout of the linear viscous dampers, which results in the torsion of the frame structure, with the seismic response of the frame structure increased.As a result, dampers should be flexibly and symmetrically laid out in the frame structure, and it is not suitable to lay out viscous dampers in an asymmetrical way.

viscous damper;frame structure;layout scheme;seismic response

2016-04-15

李陽(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震。843326437@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.013

TU375.4

B

1672-3953(2016)05-0044-04