阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置分析

田子波 劉向軍

1. 東營市筑博建筑科技咨詢中心 山東 東營 257091；

2. 東營市建筑設(shè)計(jì)研究院 山東 東營 257091

在地震發(fā)生時(shí)，地震產(chǎn)生的地震能量會(huì)源源不斷地向建筑物傳輸能量，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)接受了大量的地震能量，必然要通過能量的相互轉(zhuǎn)換才能將能量傳輸出去結(jié)束振動(dòng)。傳統(tǒng)的抗震體系就是增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)自身的抗震性能來抵抗地震對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響。即增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞過程中消耗地震能量。然而這種方式需要建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形來消耗地震能量，建筑物會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞，由于地震的不可預(yù)測(cè)性和不可控制性，對(duì)建筑物的破壞程度也不同，當(dāng)發(fā)生較強(qiáng)的地震時(shí)，建筑物產(chǎn)生較大程度的破壞，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生較大的危害。

為了克服傳統(tǒng)抗震體系存在的不足，在建筑過程中結(jié)構(gòu)消能體系逐漸發(fā)展起來，結(jié)構(gòu)消能減震體系就是通過將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)成消能桿件或者在建筑結(jié)構(gòu)中加設(shè)消能裝置。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，消能構(gòu)件或者消能裝置會(huì)率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻尼，消耗建筑結(jié)構(gòu)輸入的大量地震能量，減少地震能量對(duì)建筑物自身的破壞，確保建筑物在地震中的安全。

本文基于減隔震體系理論，對(duì)阻尼器布置在不同的位置進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，并從結(jié)構(gòu)的層間位移、層間剪力、地震周期等進(jìn)行分析計(jì)算，綜合評(píng)價(jià)了阻尼器對(duì)框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響[1]。

1 建筑消能減震技術(shù)原理

結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器的振動(dòng)方程：

等式中的每一項(xiàng)均是影響抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)內(nèi)容，也對(duì)應(yīng)著我們進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)的一種手段。其中：M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；C結(jié)構(gòu)阻尼；K結(jié)構(gòu)剛度；為外部輸入的地震振

Mg(t)動(dòng)。以上四個(gè)變量是影響結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要參數(shù)，從上式可以清晰地看出，常規(guī)抗震設(shè)計(jì)中，一般是從調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度入手。而使用消能減震技術(shù)，可以同時(shí)改變結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，而阻尼的增加帶來地震力的減少并使得結(jié)構(gòu)的剛度分布更加合理，有效地減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，帶來結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的減少，進(jìn)一步減少地震作用[2]。

2 結(jié)構(gòu)模型及方案設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型為總高度35.4m的10層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)整體模型示意圖如圖2所示。邊跨7.2m，中間跨2.4m，間距8.4m；地下室一層標(biāo)高3.3m,首層高4.0m，其余各層3.3m。梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。邊柱截面尺寸為600×800mm,中柱截面尺寸為600×700mm。Y向框架梁截面尺寸為300×700mm，X向框架混凝土梁截面尺寸為400×700mm，次梁截面尺寸為200×550mm，標(biāo)準(zhǔn)層板厚為110mm，頂樓板厚為120mm。設(shè)計(jì)抗震信息分組為第三組，地震烈度為7度，場(chǎng)地類別為Ⅲ場(chǎng)地，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g[3]。

圖1 框架結(jié)構(gòu)平面示意圖

2.2 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)圖3結(jié)構(gòu)模型所布置的阻尼器分別加載RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波（如圖4所示），分別記錄分析結(jié)構(gòu)模型沒有加設(shè)阻尼器的層間位移，結(jié)構(gòu)模型在樓層底部到中間層加設(shè)阻尼器的層間位移和結(jié)構(gòu)模型逐層布置阻尼器的層間位移數(shù)據(jù)變化情況，對(duì)比分析出結(jié)構(gòu)模型逐層布置阻尼器對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震減震設(shè)計(jì)具有較好的作用效果[4-6]。

圖3 結(jié)構(gòu)模型阻尼器布置情況

圖4a RH1TG025人工波 圖4b TH1TG025天然波 圖4c TH052天然波

3 阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

3.1 阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

基于RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波對(duì)結(jié)構(gòu)模型的影響得出結(jié)構(gòu)變形的最大水平位移（如圖5所示），分析在不同地震中阻尼器的布置對(duì)結(jié)構(gòu)最大水平位移的影響[7]。

圖5 在不同地震波下樓層的最大位移

根據(jù)上圖數(shù)據(jù)比較可以看出：

（1）當(dāng)結(jié)構(gòu)沒有布置阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)樓層最大位移比較大。

（2）當(dāng)結(jié)構(gòu)1到5層布置阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)各樓層最大位移相比沒有布置阻尼器的樓層最大位移減少很多，作用效果比較明顯。

（3）當(dāng)結(jié)構(gòu)逐層布置阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)樓層最大位移相比在1到5層布置阻尼器的樓層最大位移整體稍有減少，特別是在樓層上部，樓層最大位移減少相對(duì)較為明顯[8]。

3.2 阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角的影響

基于RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波對(duì)結(jié)構(gòu)模型的影響得出結(jié)構(gòu)變形的層間位移角（如圖6所示），分析在不同地震中阻尼器的布置對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角的影響。

圖6 在不同地震波下樓層最大層間位移角

根據(jù)上圖數(shù)據(jù)比較可以看出：

（1）當(dāng)結(jié)構(gòu)沒有布置阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)樓層最大層間位移角比較大。

（2）當(dāng)結(jié)構(gòu)1到5層布置阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)各樓層最大層間位移角相比沒有布置阻尼器的樓層最大層間位移角減少很多，作用效果比較明顯。

（3）當(dāng)結(jié)構(gòu)逐層布置阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)樓層最大層間位移角相比在1到5層布置阻尼器的樓層最大層間位移角整體稍有減少，特別是在樓層上部，樓層最大層間位移角減少相對(duì)較為明顯[9]。

4 結(jié)束語

阻尼器的布置能夠有效地加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)減震抗震的能力，有效地減少建筑結(jié)構(gòu)水平位移和層間位移角。當(dāng)樓層未布置阻尼器時(shí)，樓層的位移較大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大位移超出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范數(shù)值；當(dāng)只在結(jié)構(gòu)底部布置阻尼器時(shí)，其建筑結(jié)構(gòu)整體相對(duì)位移明顯減少，但其上部位移值相比逐層布置阻尼器時(shí)上部位移值略有偏大。隨著阻尼器布置層數(shù)的增多，結(jié)構(gòu)上部樓層水平位移減少，建筑結(jié)構(gòu)的最大水平位移和最大層間位移角隨著阻尼器布置層數(shù)的增加而減少。因此，在建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中布置阻尼器時(shí)，應(yīng)該逐層布置，避免阻尼器布置不連續(xù)和中斷。

[1] 周云,湯統(tǒng)壁,鄧雪松,等.耗能減振結(jié)構(gòu)基于性能簡化抗震設(shè)計(jì)方法研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(6):14-21.

[2] 歐進(jìn)萍,吳斌.耗能減振結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法[J].震動(dòng)工程學(xué)報(bào),1998,18(2):202-209.

[3] 朱禮敏,錢基宏,張維嶽.大跨空間結(jié)構(gòu)中黏滯阻尼器的位置優(yōu)化研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,(10):22-29.

[4] 熊仲明,王佳,郭瑜.基于耗能減震結(jié)構(gòu)耗能裝置的優(yōu)化設(shè)置的研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(2):166-171.

[5] 李宏男,曲激婷.基于遺傳算法的位移型與速度型阻尼器位置優(yōu)化比較研究[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2010,27(2):252-257.

[6] 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,(3):15-20.

[7] 孫黃勝,陳士海,施衛(wèi)星.黏滯阻尼器連接相鄰結(jié)構(gòu)減震優(yōu)化分析[J].世界地震工程,2010,26(1):207-211.

[8] 魏鏈,王森.論高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角限值的控制[J].建筑結(jié)構(gòu),2006,(s1):49-55.

[9] GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.