帶粘滯阻尼器的輕鋼加層結(jié)構(gòu)振動臺試驗分析

朱凱盟，段紹偉

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410018）

帶粘滯阻尼器的輕鋼加層結(jié)構(gòu)振動臺試驗分析

朱凱盟，段紹偉

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410018）

對加層部分設(shè)置粘滯阻尼器的輕鋼加層混凝土結(jié)構(gòu)進行了模擬地震振動臺試驗分析。研究表明，僅在輕鋼加層部分設(shè)置粘滯阻尼器對加層結(jié)構(gòu)整體的耗能減震仍可以起到較好的控制效果，為以后加層改造耗能減震設(shè)計提出了新的思路，并提供了試驗依據(jù)。

輕鋼加層結(jié)構(gòu)；粘滯阻尼器；耗能減震

消能減震技術(shù)通過在建筑結(jié)構(gòu)的適當位置添加設(shè)置消能裝置以增加結(jié)構(gòu)的阻尼，從而減小結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的反應(yīng)。經(jīng)過大量的試驗以及實踐證明，該技術(shù)是有效的，并且現(xiàn)階段在我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]中已專門設(shè)置了一個章節(jié)來規(guī)范和推廣消能減震技術(shù)的應(yīng)用。本文對裝有粘滯阻尼器的2層鋼與混凝土的混合結(jié)構(gòu)進行了模擬地震振動臺試驗，直觀地再現(xiàn)了該類消能減震結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能過程，進一步驗證了粘滯阻尼器在該結(jié)構(gòu)中的減震性能。試驗結(jié)果表明，阻尼器能消耗較多的地震能量，在該類結(jié)構(gòu)中是有效的。

1 振動臺試驗

1.1 框架模型設(shè)計

框架模型共2層，采用單跨的形式將混凝土結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，下部混凝土結(jié)構(gòu)尺寸2m*2m*2m，上部輕鋼結(jié)構(gòu)尺寸2m*2m*1m，總高3米。混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)采用預埋螺桿鉚接。無阻尼器框架結(jié)構(gòu)（無控結(jié)構(gòu)）與安裝阻尼器框架結(jié)構(gòu)（有控結(jié)構(gòu)）模型如圖下圖所示，無控結(jié)構(gòu)則將圖中斜撐拆除即可。

圖1 安裝阻尼器的有控結(jié)構(gòu)

1.2 振動臺概況

該試驗在中南大學鐵道學院高速鐵路國家重點實驗室模擬地震振動臺上進行。振動臺臺面尺寸為4 m × 4m，沿模型橫向水平單向加載地震波，水平最大加速度和最大位移能滿足試驗需要。

1.3 試驗工況及測試方案

將結(jié)構(gòu)分為在二層設(shè)置兩個粘滯阻尼器的有控結(jié)構(gòu)（以斜撐的形式連接如圖1所示）和不設(shè)阻尼器的無控結(jié)構(gòu)。振動臺試驗輸入的地震波為大瑞波和kobe波地面加速度記錄，進行加速度峰值為0.1g和0.4g的8個工況的振動臺試驗。

試驗時, 先進行有控結(jié)構(gòu)的模擬振動臺試驗,由于安裝阻尼器框架結(jié)構(gòu)在阻尼器破壞時層間變形較小, 保證了混合結(jié)構(gòu)框架在此有控結(jié)構(gòu)試驗過程中保持彈性變形。然后, 卸除阻尼器, 進行無控結(jié)構(gòu)模擬振動臺試驗, 由于前階段鋼框架處于彈性變形, 因此無控結(jié)構(gòu)試驗過程中, 鋼框架仍可重復利用。

2 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)據(jù)分析

2.1 模型加速度反應(yīng)

分別對模型結(jié)構(gòu)輸入各地震波后，通過模型上布置的三個加速度計反饋的信號測得各工況下的結(jié)構(gòu)二層加速度時程曲線如圖2-3，其中上半部分為無控結(jié)構(gòu)時程曲線，下半部分為有控結(jié)構(gòu)時程曲線。

圖2 加載大瑞波時結(jié)構(gòu)頂層加速度時程曲線對比

圖3 加載Kobe波時結(jié)構(gòu)頂層加速度時程曲線對比

表1 大瑞波作用下樓層絕對加速度反應(yīng)

表2 Kobe波作用下樓層絕對加速度反應(yīng)

從以上時程曲線圖可知，在模型受到同種地震波作用時，加速度時程曲線變化規(guī)律大致相同，而輸入不同地震波，其變化規(guī)律大不相同。因此結(jié)構(gòu)絕對加速度峰值變化特性主要取決于輸入的地震波的特性；圖表中數(shù)據(jù)說明，由于粘滯阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)加層部分，所以對頂層加速度的控制較為明顯，在大瑞波0.1g和0.4g作用時，加速度分別減少了10.9%和35.5%；在Kobe波作用時分別減少了11.1%和24.3%。

2.2 模型相對位移反應(yīng)

從各工況下頂層位移反應(yīng)時程曲線來看，有控結(jié)構(gòu)與無控結(jié)構(gòu)位移時程曲線波形大致相同，但有控結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)明顯的小于無控結(jié)構(gòu)，說明粘彈性阻尼器對于結(jié)構(gòu)有較好的減震效果。

表3 結(jié)構(gòu)頂層相對位移峰值

表3.3給出了有無阻尼器對結(jié)構(gòu)模型頂點相對位移峰值（即地面加速度為0）的影響。其中，減震率為有控結(jié)構(gòu)頂點位移峰值響應(yīng)與剛性連接時的比值。由表中數(shù)據(jù)可知，有控結(jié)構(gòu)在同樣的地震工況下比無控結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)頂點位移峰值響應(yīng)有了相應(yīng)程度的降低。分別輸入加速度為0.1g和0.4g的大瑞波、kobe波，有控結(jié)構(gòu)頂點位移峰值響應(yīng)分別為無控結(jié)構(gòu)的32.4%、26.9%、23.5%、13.0%。對比有控結(jié)構(gòu)和無控結(jié)構(gòu)頂點位移峰值響應(yīng)，不同地震波的輸入，減震效果也不同，說明減震效果還與輸入地震波的頻率特性相關(guān)。因此，用不同的場地類別和設(shè)計地震分組的地震波進行設(shè)計時，還需要進行阻尼器的優(yōu)化。

3 結(jié)論

本文對裝有粘滯阻尼器的輕鋼加層混凝土混合結(jié)構(gòu)進行了模擬地震振動臺試驗研究，以0.1g和0.4g兩種不同的加速度幅值，采用大瑞波和Kobe波兩種地震波進行了X單向水平地震模擬試驗。得出以下結(jié)論：

（1）模擬地震振動臺試驗可以用最直觀的顯現(xiàn)出安裝阻尼器前后結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)及阻尼器的工作狀態(tài)，是檢驗阻尼器有效性的一種重要方法；

（2）與無控結(jié)構(gòu)相比，采用安裝阻尼器的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的頂層絕對加速度減小了10.9～35.5%相對位移減小了13.0%～32.4%，這表明安裝阻尼器后，結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生較強的耗能控制力，消減了傳遞至結(jié)構(gòu)的地震能力，達到了抑制結(jié)構(gòu)振動的目的；

（3）輸入地震波的不同，結(jié)構(gòu)的減震效果也不盡相同，針對不同頻率特性的地震波，還應(yīng)進行阻尼器的優(yōu)化設(shè)計。

[1]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010，156-159.

Shaking table test and analysis of light steel structure with viscous dampers

ZHU Kai-meng, DUAN Shao-wei

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha Hunan 410018)

The plus layer is disposed partially viscous damper steel adding storey concrete structure of the earthquake simulation shaking table test analysis. Studies have shown that, only in lightweight steel adding layer of viscous dampers are set for storey adding structure to the overall energy dissipation can still play a better control effect, after renovation on energy dissipation design put forward new ideas and provides experimental basis for.

Light steel structure; Viscous damper; Energy dissipation

TB534+.2

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.008

1672–7304(2016)05–0017–02

土木工程應(yīng)用技術(shù)湖南省研究生創(chuàng)新基地資助項目。

（責任編輯：張時瑋）

朱凱盟（1990-)，男，湖南岳陽人，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)工程。