基于阻尼比的混合減震結(jié)構(gòu)效果研究

周連偉

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連116011）

基于阻尼比的混合減震結(jié)構(gòu)效果研究

周連偉

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧大連116011）

運(yùn)用SA P2000進(jìn)行數(shù)值分析，對(duì)比了設(shè)置隔震支座、設(shè)置鋼阻尼器以及兩種裝置混合設(shè)置在一起結(jié)構(gòu)的消能效果，并對(duì)層間剪力、結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移曲線等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，混合消能減震結(jié)構(gòu)具有很好的消能效果，比設(shè)置單一消能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)具有更加優(yōu)越的減震效果，可以使目標(biāo)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能得到顯著提高。

減震結(jié)構(gòu)；阻尼器；鉛芯橡膠支座；混合消能；時(shí)程分析

0 引言

我國(guó)部分區(qū)域?qū)俚卣鸲喟l(fā)地帶，由于客觀的實(shí)際需要，抗震技術(shù)得到了不斷的發(fā)展，并提出了不同的抗震技術(shù)方法。傳統(tǒng)的抗震技術(shù)屬于被動(dòng)型，也就是完全依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度來抵抗地震，即所謂的“硬碰硬”的抗震方法。按照這種方法設(shè)計(jì)的建筑，抗震構(gòu)件之間會(huì)發(fā)生裂縫，這些裂縫會(huì)消耗一部分能量，從而減少對(duì)建筑物的破壞。所以這種建筑在地震以后可能會(huì)引起建筑物梁、柱的破壞，甚至造成建筑物的倒塌。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（G B 50011—2010）的要求，抗震設(shè)計(jì)的基本理念是“大震不倒、中震可修、小震不壞”，即建筑在遭受較小強(qiáng)度地震時(shí)，結(jié)構(gòu)不允許發(fā)生任何破損，在遭受設(shè)防烈度的地震時(shí)，允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生損壞，但在地震后經(jīng)過適當(dāng)?shù)男迯?fù)仍能正常使用，而當(dāng)遭受到超過設(shè)防烈度的大地震時(shí)，建筑物內(nèi)部損壞比較嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)無(wú)法修復(fù)，但要求盡量保證建筑物不倒塌、不傷人。但是，在實(shí)際的地震中房屋倒塌的現(xiàn)象一再出現(xiàn)，其結(jié)果是令人深思的。由于傳統(tǒng)技術(shù)方法的種種缺陷，發(fā)展出了隔震技術(shù)和消能減震技術(shù)。隔震技術(shù)是將過去“硬碰硬”的技術(shù)方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙匀峥藙偂钡姆椒?，其是將建筑物的上部和基礎(chǔ)隔開。所謂的“基礎(chǔ)隔震”其實(shí)質(zhì)就是在建筑物的底部與地基之間，增加適當(dāng)?shù)木彌_物，使得建筑物在受到地震波作用后的加速度反應(yīng)大大減弱，同時(shí)讓建筑物的位移主要由隔震系統(tǒng)來承擔(dān)，從而使得建筑物在地震中產(chǎn)生相對(duì)較小的變形，以達(dá)到防護(hù)的目的。目前使用較多的基礎(chǔ)隔震元件有疊層橡膠支座、砂墊層隔震、石墨墊層隔震、摩擦滑移隔震等。消能減震技術(shù)是指運(yùn)用各種阻尼器消耗地震輸入到結(jié)構(gòu)中的能量。這些阻尼器可布置在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。常用的阻尼器有位移相關(guān)型的、速度相關(guān)型的以及其他類型的。

隔震技術(shù)只具備隔離一部分水平地震的功能，對(duì)豎向的地震作用是沒有影響的，特別是對(duì)于高層和超高層結(jié)構(gòu)，其隔震效果就更加不理想了。所以，本文探討了一種混合措施，即把隔震技術(shù)與消能減震技術(shù)聯(lián)合起來考慮。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算很多都假設(shè)結(jié)構(gòu)的阻尼是一個(gè)常數(shù)，但研究表明并非如此。結(jié)構(gòu)阻尼比是不斷變化的，并且很難判定，通常結(jié)構(gòu)的阻尼比是隨著振型變化的，隨著振型的增加，阻尼比不斷增加。根據(jù)國(guó)內(nèi)外隔震減震的理論研究和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[2-8]，本文以大連地區(qū)一棟框架結(jié)構(gòu)為研究背景，基于SA P2000建立三維有限元模型，考慮振型阻尼比選，對(duì)比分析了各種工況下混合消能減震結(jié)構(gòu)、阻尼器結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)和無(wú)控結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)結(jié)果，驗(yàn)證了混合消能結(jié)構(gòu)具有良好的減震效果。

1 鋼阻尼器和鉛芯橡膠支座的力學(xué)模型

耗能減振裝置的力學(xué)模型是耗能減振結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析基礎(chǔ)，恢復(fù)力特性的數(shù)學(xué)模型主要分為兩類：一類是用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式予以描述的曲線型；另一類是分段線性化中的曲線型的力學(xué)模型，給出的剛度是連續(xù)變化的，與工程實(shí)際比較接近，但是計(jì)算比較復(fù)雜。目前廣泛使用的是折線型模型。金屬阻尼器通常采用的力學(xué)模型主要有理想彈塑性模型、雙線型模型、多曲線模型、W e n力學(xué)模型。本文鋼阻尼器所用的力學(xué)模型是基于1976年W e n提出的滯后行為。其中曲線型的力學(xué)模型給出的剛度是連續(xù)變化的，與工程實(shí)際比較接近，但是計(jì)算比較復(fù)雜。W e n力學(xué)模型的關(guān)系式為：式中：k為彈性彈簧常數(shù)；σy為屈服力；r為指定的屈服后剛度對(duì)彈性剛度k的比值；z為一個(gè)內(nèi)部滯后變量，此變量范圍為|z|≤1，|z|=1，代表屈服面；e x p為等于或大于1的指數(shù)，此指數(shù)越大，屈服比率越陡，實(shí)際指數(shù)現(xiàn)值大約是20；等價(jià)于W e n模型A=1及α=β=0.5。

本文鉛芯隔震單元采用R ubb e r is oll a to r單元，設(shè)定兩個(gè)剪切自由度均為非線性，耦合的力-變形關(guān)系為：

式中：k2和k3為彈性彈簧系數(shù)；σy2和σy3為屈服力；r2和r3為屈服后剛度對(duì)彈性剛度（k2和k3）的比例。

2 工程實(shí)例

2.1 工程簡(jiǎn)介

大連某11層建筑，建筑高度34 m，長(zhǎng)31.5 m，寬16 m。建筑物所處地區(qū)地震烈度為7度，場(chǎng)地類型為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為二組，特征周期為0.40 s，現(xiàn)擬通過安裝鋼阻尼器和隔震支座使目標(biāo)結(jié)構(gòu)的抗震能力提高。

2.2 阻尼器的參數(shù)

本文選用的阻尼器為圓孔型鋼阻尼器材料，采用50mm厚的Q235鋼材制成，屈服位移為ud1=2.2m，屈服力Fy1=375 k N,初始剛度Ka1=170.5 k N/mm。選用的鉛芯隔震支座的具體參數(shù)為：線性部分的有效剛度為1.99 k N/mm，有效阻尼為0，非線性部分的剛度為9.9 k N/mm，屈服力為90.2 k N，屈服后剛度比為0.154。阻尼器主要布置在結(jié)構(gòu)底層框架上。施工過程中，在梁內(nèi)預(yù)埋鋼板，軟鋼阻尼器采用坡角焊接形式與預(yù)埋鋼板焊接在一起，下端采用同樣的方法與水平鋼板焊接，并與鋼支撐相連。每一榀框架內(nèi)，阻尼器均設(shè)在梁與支撐節(jié)點(diǎn)處，采用三片阻尼器疊放形式[10]，隔震支座通過安裝預(yù)埋鋼板于基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間，形成柔性隔層，使基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)斷開。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.1 模態(tài)分析

為了考慮振型變化對(duì)阻尼的影響，按照結(jié)構(gòu)周期變化插值的方法來考慮該因素對(duì)阻尼的影響，并對(duì)比考慮阻尼比與不考慮阻尼比之間的差別?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》（G B 50011—2010）明確規(guī)定了結(jié)構(gòu)振型參與質(zhì)量不得小于0.9的比例。表1為無(wú)控結(jié)構(gòu)模態(tài)分析給出的部分?jǐn)?shù)據(jù)，這里只給出結(jié)構(gòu)的前五階的振型數(shù)據(jù)。

表1 無(wú)控結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析數(shù)據(jù)

從表1可以看出，第一階為平動(dòng)振型（U X+U Y＞R Z)且屬于X方向的平動(dòng)振型，第二階振型為Y方向的平動(dòng)振型，第三階則屬于繞Z軸的扭轉(zhuǎn)振型（U X+U Y＜R Z),并且當(dāng)計(jì)算到第5階的時(shí)候，S u m U X、S u m U Y都大于0.9，滿足了規(guī)范對(duì)參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%的要求。圖1為有控結(jié)構(gòu)前幾階的振型圖。

圖1 無(wú)控結(jié)構(gòu)的前四階振型圖

3.2 有控結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

圖2從左到右分別為加設(shè)隔震支座、加設(shè)阻尼器和加設(shè)兩種裝置的模型圖，并分別對(duì)這三個(gè)模型進(jìn)行了模態(tài)分析。表2為各結(jié)構(gòu)的前三階周期。

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

表2 各工況下結(jié)構(gòu)的周期

對(duì)比表1和表2可以看出，加了隔震支座以后結(jié)構(gòu)的自振周期明顯增大，但是加設(shè)阻尼器并不會(huì)太大改變結(jié)構(gòu)的自振周期反而會(huì)略微減小結(jié)構(gòu)的自振周期，這是因?yàn)樽枘崞鲿?huì)加大結(jié)構(gòu)的剛度，計(jì)算發(fā)現(xiàn)改變結(jié)構(gòu)的阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)周期的影響并不大。

3.3 各工況下的時(shí)程分析

多條地震波對(duì)比可以更全面地反應(yīng)結(jié)構(gòu)在不同情況下的地震響應(yīng)，從而可以更加全面地考察結(jié)構(gòu)在不同情況下的消能效果。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（G B 50011-2010）第12.2.2條，一般情況下宜采用時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算，時(shí)程分析采用三組地震波：E L C e n t r o波、蘭州波、唐山波。三條地震波的時(shí)程曲線見圖3。

為了考慮阻尼比的影響，將對(duì)比分析分為兩組：一組為考慮阻尼比變化，一組為常阻尼的情況。限于篇幅這里只對(duì)比罕遇的地震工況。由于圖量較多這里只考慮各種地震波在7度罕遇下的工況。

從圖4可以看出，不論考慮不考慮阻尼，雙控結(jié)構(gòu)都具有更好的控制結(jié)構(gòu)層間剪力的作用，且隔震支座對(duì)層間剪力的控制相對(duì)于阻尼器來說更加具有優(yōu)勢(shì)。從圖中可以看出阻尼比對(duì)層間剪力有比較大的影響，所以按常阻尼考慮結(jié)構(gòu)的阻尼是不太合適的。結(jié)構(gòu)的層位移可以很好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的消能效果，所以下面再以結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移這個(gè)參數(shù)來考慮不同消能形式的消能效果。

圖3 三條地震波時(shí)程曲線

圖4 三條地震波下常阻尼與變阻尼的結(jié)構(gòu)層間剪力對(duì)比圖

圖5 三條地震波下常阻尼與變阻尼的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移對(duì)比圖

從圖5可以看出，在控制結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移方面，雙控結(jié)構(gòu)相對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，阻尼器結(jié)構(gòu)顯然具有更加好的效果，與是否考慮結(jié)構(gòu)的阻尼比沒有多大的關(guān)系。不論把結(jié)構(gòu)的阻尼比看作是常阻尼還是變阻尼，其趨勢(shì)基本一致。另外，不同的地震波在同一個(gè)建筑上產(chǎn)生的效果，差距還是比較大的，所以考慮更多的地震情況顯然是有必要的。

4 結(jié)論

本文以大連某框架結(jié)構(gòu)為研究背景，對(duì)比分析了各種工況下混合消能減震結(jié)構(gòu)、阻尼器結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)和無(wú)控結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)分析可知，隔震-鋼阻尼器混合消能結(jié)構(gòu)具有比隔震結(jié)構(gòu)、阻尼器結(jié)構(gòu)更加出色的減震能力，在E L C e n t r o波、蘭州波、唐山波作用下減震效果有所差異?？紤]到地震作用的復(fù)雜性，所以應(yīng)該盡量多取幾組符合結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地地質(zhì)特性的地震波進(jìn)行時(shí)程分析，確保分析結(jié)果的可靠性。

（2）隔震阻尼器可以隔絕一部分輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，鋼阻尼器可以進(jìn)一步消耗能量，并減少結(jié)構(gòu)的位移，兩種阻尼器協(xié)同工作從而形成兩道防護(hù)，使結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)定。

（3）阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)分析是有影響的，合理地考慮結(jié)構(gòu)阻尼比是混合結(jié)構(gòu)等消能結(jié)構(gòu)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，但是由于結(jié)構(gòu)阻尼比的復(fù)雜性，我們往往不能正確計(jì)算出結(jié)構(gòu)的阻尼比，所以這一方面有待進(jìn)一步研究。

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T U973.3+1

A

1009-7716（2017）06-0250-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.074

2017-04-06

周連偉（1977-），男，遼寧大連人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事橋隧、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。