消能減震框架結(jié)構(gòu)減震控制*

鮑文博， 于玄燁

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受到三大地震板塊的相互作用，地震災(zāi)害頻發(fā)[1].傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)采用硬碰硬的抗震體系，既被動又浪費[2].消能減震技術(shù)的出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)得以積極主動地耗散地震輸入能量，顯著減少結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng).消能減震體系適用廣泛，便于維護，從而引起國內(nèi)外學者的關(guān)注.而采用該方法忽略了地震作用持時對結(jié)構(gòu)破壞造成的影響，不能很好地模擬地震作用下房屋結(jié)構(gòu)力與位移的真實情況[3].由于地震動具有隨機性[4]，從能量角度研究能較好地反映地震動強度及頻譜特性，特別是強震持時對結(jié)構(gòu)破壞的綜合影響.基于能量平衡原理把地震作用看做結(jié)構(gòu)中能量輸入與耗散，輸入能就是地震總的輸入能量，耗能主要有滯回和阻尼耗能兩類，其中，滯回耗能是通過構(gòu)件自身的破壞來耗散掉地震能量[5].

目前，減震控制研究大多針對阻尼器進行簡單的隔層布置以及基于層間位移等的布置研究，而對以滯回耗能為控制函數(shù)進行的模擬較少，因此，以這些方法在結(jié)構(gòu)得到的阻尼器布置方法并非最優(yōu)[6].基于能量的抗震設(shè)計方法融合了力和位移這兩個最重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，并考慮了結(jié)構(gòu)累積滯回耗能和阻尼耗能，避免了基于承載力反應(yīng)譜法不能考慮彈塑性位移和基于位移方法不能考慮結(jié)構(gòu)累積損傷的不足[7]，能夠更全面地反映地震作用對結(jié)構(gòu)的影響和結(jié)構(gòu)的抗震能力.

本文以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象，使用抗震設(shè)計非線性軟件PERFORM-3D[8]進行耗能減震結(jié)構(gòu)的震動控制研究.以基于能量原理設(shè)計方法中滯回耗能的分配作為控制目標，與以傳統(tǒng)抗震設(shè)計中的層間位移最大值為控制目標和按經(jīng)驗的順序添加法進行對比分析，確定不同減震控制方法的規(guī)律和特性.

1 結(jié)構(gòu)分析模型

基于我國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范，運用ETABS軟件設(shè)計了一個12層框架結(jié)構(gòu)，1～5層柱子的截面尺寸為800 mm×800 mm；6～8層柱子的截面尺寸為700 mm×700 mm；9～12層柱子的截面尺寸為600 mm×600 mm；梁的截面尺寸為250 mm× 700 mm，梁、柱的混凝土強度等級均為C30，主筋均為HRB335.建筑結(jié)構(gòu)底層4.2 m，其他層3.6 m；Y向軸線間距均為5.4 m，X向軸線間距均為7.2 m.地震設(shè)計分組為第二組，場地類別為Ⅱ類.底層柱和地面固結(jié)，即不考慮結(jié)構(gòu)與地基土體之間的相互作用.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)在布置消能部件前為單純的延性抗震結(jié)構(gòu)(以下稱為原結(jié)構(gòu))，本文僅考察橫向(Y方向)的地震作用及其減震控制.

圖1 框架結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1 Plane diagram of frame structure

2 耗能減震控制模型

粘滯阻尼器構(gòu)筑耗能減震框架結(jié)構(gòu)，阻尼器采用對角支撐方式進行布置，并對阻尼器布置方案和減震效果進行彈塑性分析.

2.1 阻尼器類型

常用的阻尼器有速度和位移相關(guān)型兩大類，速度相關(guān)型阻尼器主要包括粘滯液體阻尼器和粘彈性阻尼器等，位移相關(guān)型阻尼器主要有金屬阻尼器和摩擦型阻尼器.粘滯阻尼器受頻率和溫度變化的影響很小，阻尼特性穩(wěn)定，較小位移下也能發(fā)揮作用；對于線性阻尼器，力學模型簡單且在工程上應(yīng)用較為成熟.因此，本文選用粘滯阻尼器，其參數(shù)如表1所示.

表1 粘滯液體阻尼器參數(shù)Tab.1 Parameters of viscous fluid damper

2.2 阻尼器布置方案

我國“新抗規(guī)”建議“消能部件宜設(shè)置在變形較大的位置，其數(shù)量和分布應(yīng)通過綜合分析合理確定，并有利于提高整個結(jié)構(gòu)的消能減震能力，形成均勻合理的受力體系”.因此，消能部件的布置應(yīng)遵循一定原則，一般情況下并不是阻尼器布置得越多越好，對于不同跨數(shù)和不同層數(shù)的結(jié)構(gòu)，阻尼器的布置應(yīng)該是不同的.遵循上述原則，本文研究在添加阻尼器前，先進行原結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，然后根據(jù)一定的控制目標進行阻尼器添加布置，每一次添加均布置在結(jié)構(gòu)2、4、6三個軸線兩側(cè)的邊跨位置，共計6個阻尼器(見圖2)，以保證平面布置規(guī)則、對稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異.每個控制目標均進行相同次數(shù)的阻尼器添加.

2.3 控制方案

原結(jié)構(gòu)為12層框架結(jié)構(gòu)，通過布置阻尼器構(gòu) 成耗能減震結(jié)構(gòu).該耗能減震結(jié)構(gòu)的震動控制目標通過不同的阻尼器設(shè)置方案來實現(xiàn).本文研究采用順序添加法、層間位移控制法和滯回耗能控制法三種阻尼器布置方案，實現(xiàn)該耗能減震結(jié)構(gòu)的震動控制.

圖2 阻尼器布置平面圖Fig.2 Plane diagram of damper layout

2.3.1 順序添加法

通過原結(jié)構(gòu)分析確定相對薄弱層(該結(jié)構(gòu)為第3層)，第一次減震控制是按照上述方案(見圖2)在該層布置一組阻尼器，然后逐層向上布置阻尼器，每一次控制均布置一層阻尼器，直至達到要求為止.

2.3.2 層間位移控制法

依據(jù)現(xiàn)行抗震設(shè)計理論，以最大層間位移作為控制目標，首先對原結(jié)構(gòu)進行動力反應(yīng)分析，確定層間位移最大層，把阻尼器布置在該層；然后在此基礎(chǔ)上再進行該結(jié)構(gòu)的有限元分析，找出該結(jié)構(gòu)的層間位移最大層，再在該層布置阻尼器，如此循環(huán)添加，直至滿足要求為止.

2.3.3 滯回耗能控制法

基于能量抗震設(shè)計理論，以分配到各層的地震滯回耗能為控制目標，首先對原結(jié)構(gòu)進行地震能量響應(yīng)的彈塑性分析，確定最大滯回耗能層，并在該層布置阻尼器；然后在此基礎(chǔ)上再次進行地震能量響應(yīng)彈塑性分析，確定此時的最大滯回耗能所在層，再在該層布置阻尼器，以此類推布置阻尼器，直至滿足要求為止.

分別按照上述耗能減震控制方法對結(jié)構(gòu)進行彈塑性分析和阻尼器布置，本文研究共進行了6次循環(huán)控制，1、3、5次的添加情況如圖3所示，此時三種控制方法均已將結(jié)構(gòu)的滯回能降低到很低的水平.

3 結(jié)果及分析

3.1 阻尼器分布

分析表明，三種控制方案的總體減震目標是一致的，按照三種控制策略確定的逐次阻尼器布置主要集中在3～9層，這也是結(jié)構(gòu)層間位移或滯 回耗能較大的樓層.但三種控制方法本質(zhì)上仍有很大區(qū)別，順序添加法簡單，可以憑經(jīng)驗確定阻尼器的首次添加層，然后再逐層添加，但效果顯然不如后兩種方法，而且?guī)в泻艽蟮拿つ啃?，對于更?fù)雜結(jié)構(gòu)減震效果難以控制.

圖3 阻尼器布置立體圖Fig.3 Stereogram diagram of damper layout

不同于順序添加法，后兩種控制方法則每次均根據(jù)控制目標的變化進行阻尼器布置，減震控制科學，效率較高，尤其以層間滯回耗能為控制目標的阻尼器布置方案更接近于預(yù)期控制目標，層間位移控制法阻尼器集中在結(jié)構(gòu)中上和中下兩個部分；而滯回耗能控制法添加的阻尼器在結(jié)構(gòu)中分布成上、中、下三個區(qū)域.隨著結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加，優(yōu)勢會更為明顯.

3.2 地震能量的分布

原結(jié)構(gòu)和按照三種減震控制方案布置阻尼器后的耗能減震結(jié)構(gòu)的總能量分配如圖4所示.添加阻尼器后結(jié)構(gòu)的滯回耗能明顯減少，表明阻尼器的添加對結(jié)構(gòu)的消能減震作用非常明顯.

圖4 地震總能量分配Fig.4 Total seismic energy distribution

由圖4可知，不同減震控制方案得到的地震總能量分配圖有所不同，其中滯回耗能控制法的效果最好.

3.3 總滯回耗能

滯回耗能是評價建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下是否發(fā)生破壞的能量指標，因此，可以依據(jù)耗能減震結(jié)構(gòu)剩余滯回耗能的多少來評價減震控制的效果.圖5為上述三種控制方法對應(yīng)的結(jié)構(gòu)總滯回耗能.

圖5 總滯回耗能對比Fig.5 Comparison in total hysteretic energy

由圖5可知，三種控制方法均隨著阻尼器的增加結(jié)構(gòu)總滯回耗能顯著減少，表明了阻尼器布置方案對結(jié)構(gòu)減震作用的有效性.同時，通過對比可見，三種控制方法的效果不盡相同，其中，以滯回耗能控制法得到的曲線下降趨勢最顯著，表明該控制方法具有一定的可行性.

3.4 模態(tài)阻尼耗能

地震發(fā)生后，結(jié)構(gòu)主要依靠自身模態(tài)阻尼來消耗地震動產(chǎn)生的能量，表2為四條地震波下三種不同控制方法的結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼耗能占總輸入能的比例.

由表2可知，增加阻尼器后，結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼 耗能均不同程度減少，由不同控制方法對比可得，滯回耗能控制法要優(yōu)于其他方法，對結(jié)構(gòu)的保護效果最好.

表2 結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼耗能Tab.2 Damping dissipation energyof structural modes %

3.5 最大層間位移

層間位移是控制結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的重要指標，因此，以最大層間位移作為結(jié)構(gòu)減震控制目標是可行的.圖6為按照上述三種方案控制震動時，逐次布置阻尼器后結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的最大層間位移，表3為具體的層間位移減少量數(shù)據(jù).

《高規(guī)》規(guī)定框架結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比不大于1/550，表3中三種控制方法均滿足標準要求.由圖6可知，層間位移控制法和滯回耗能控制法明顯優(yōu)于順序添加法，而層間位移控制法和滯回耗能控制法對層間最大位移控制的效果基本接近，說明滯回耗能控制法對層間最大位移控制具有一定的有效性.

實際上，在控制的每一步不同層的層間位移均發(fā)生變化.圖7為上述三種控制方法在實施6步控制后各樓層不同控制方法對應(yīng)的層間位移情況，并與無減震控制的原結(jié)構(gòu)層間位移進行了對比.顯然，各種控制方法均大大降低了層間位移，而不同控制方法改變了最大位移層的分布，其中，滯回耗能控制法分布均衡，最大值較小，具有較好的控制效果.

圖6 層間位移對比Fig.6 Comparison in interlayer displacement表3 最大層間位移減小量Tab.3 Reduction amount of maximuminterlayer displacement

方法最大層間位移/mm減小量/%原結(jié)構(gòu)11.39200順序添加法7.163037.1層間位移控制法5.098155.3滯回耗能控制法4.829657.6

圖7 各樓層層間位移分布Fig.7 Distribution of interlayer displacement

4 結(jié) 論

基于12層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用三種不同控制目標實施阻尼器的布置，運用PERFORM-3D對每次添加阻尼器后的結(jié)構(gòu)進行彈塑性分析，得到以下結(jié)論：

1) 本文研究采用的三種耗能減震控制方案均可明顯地控制結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，隨著控制步數(shù)增加，結(jié)構(gòu)震動的指標顯著下降，可將地震響應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi).綜合全部分析，說明針對控制目標進行循環(huán)模擬控制是結(jié)構(gòu)減震控制的重要之處.

2) 不同方案的阻尼器增加均達到了消能減震的目的，但減震效果不盡相同，其中，順序添加法不夠科學，減震效果相對不佳；層間位移控制法和滯回耗能控制法減震控制目標明確，減震效果顯著，尤其滯回耗能控制法基于能量原理更為合理，減震控制更具有優(yōu)勢.

3) 層間位移控制法和滯回耗能控制法可以有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)最大層間位移和滯回耗能的控制，對于簡單的建筑結(jié)構(gòu)，可以同時應(yīng)用這兩種控制添加法；但在結(jié)構(gòu)橫向及縱向空間較為復(fù)雜的情況下，采取滯回耗能控制法更為科學，同時在實際耗能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計中可作為一定的參考.

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