粘滯阻尼墻用于裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼框架結(jié)構(gòu)減震研究

胡 倩 劉天洋

（武漢華夏理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院 430223）

0 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑具有工業(yè)化程度高，節(jié)能、綠色等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)符合我國(guó) “積極推廣綠色建筑和建材，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑，提高建筑工程標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量”的方針策略。裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼框架結(jié)構(gòu)是一種新型鋼結(jié)構(gòu)體系，此結(jié)構(gòu)體系突破了鋼結(jié)構(gòu)體系只適用于多層建筑的限制，實(shí)現(xiàn)了向高層建筑的發(fā)展。由于裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼框架結(jié)構(gòu)中斜撐的作用，提高結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)使其延性降低，因此非常有必要對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行減震性能分析。

粘滯阻尼墻是像墻體一樣安裝在結(jié)構(gòu)中的新型粘滯阻尼裝置，通過墻體內(nèi)的粘滯液體發(fā)生剪切吸收地震能量，具有較大的阻尼力、消耗能力強(qiáng)、運(yùn)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，多適用于多高層建筑的消能減震。本文通過建立裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼框架有限元分析模型，對(duì)比分析未安裝粘滯阻尼墻和安裝粘滯阻墻結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)。

1 工程實(shí)例

該工程為 21 層結(jié)構(gòu)建筑，對(duì)結(jié)構(gòu)建模分析時(shí)，為減少計(jì)算結(jié)果受結(jié)構(gòu)不規(guī)則的影響，使結(jié)構(gòu)布置更加合理化，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的實(shí)際平面圖，結(jié)構(gòu)橫縱都為6跨，長(zhǎng)為23.4m，層高為3.3m，結(jié)構(gòu)從下往上均分為3段，每段7層，各樓結(jié)構(gòu)基本一致。

2 計(jì)算分析

2.1 模態(tài)分析

在SAP2000建模時(shí)，結(jié)構(gòu)使用線單元模型分析，柱與斜支撐和撐腳以及梁與柱之間為剛性連接，柱與地面之間為剛性連接。桁架梁上、下弦為兩段連續(xù)的壓彎構(gòu)件，腹桿與梁之間的連接為鉸接。

對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的振型和自振周期。第1階振型為Y方向整體平動(dòng)，第2階振型為X方向整體平動(dòng)，第3階振型為整體扭轉(zhuǎn)；計(jì)算分析前30階振型質(zhì)量參與系數(shù)X、Y、Z方向分別為96.4%、95.8%、99.2%大于等于90%，結(jié)果符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；結(jié)構(gòu)的基本自振周期 3.01s，符合 GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定：T1= (0.10 ～ 0.15)n=（0.21～0.315）； (T1為建筑結(jié)構(gòu)的基本自振周期，n 為建筑總層數(shù))。前3階自振周期如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期/s

2.2 不同布置方案下粘滯阻尼墻的減震性能研究

本文粘滯阻尼墻模型是通過將多個(gè)粘滯阻尼器串聯(lián)建立起來，通過設(shè)置粘滯阻尼墻在不增加結(jié)構(gòu)剛度的前提下加大結(jié)構(gòu)阻尼。阻尼墻布置在結(jié)構(gòu)的四個(gè)邊角處，為了對(duì)比分析粘滯阻尼墻在不同布置工況下的減震效果，將21層裝配式斜支撐鋼框架結(jié)構(gòu)分為3段，每段7層采用3種不同的布置工況。

工況一：第一段（1～7層）布置共56片粘滯阻尼墻。

工況二：第一段和第二段（1～14層）布置共112片粘滯阻尼墻。

工況三：全部樓層布置共168片粘滯阻尼墻。

對(duì)裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼框架建筑進(jìn)行非線性時(shí)程模態(tài)分析得到軸力最大桿件，將此桿件和頂層最大位移作為評(píng)價(jià)對(duì)象，研究粘滯阻尼墻對(duì)裝配式斜支撐鋼框架的減震效果。對(duì)原結(jié)構(gòu)以及三種工況分別輸入 EL-centro波進(jìn)行非線性時(shí)程分析，數(shù)據(jù)如表2所示。

對(duì)比工況一、工況二和工況三，阻尼墻數(shù)量越多，減震控制效果越好；工況二從底層開始連續(xù)布置 2 /3樓層阻尼墻在保證減震效果的前提下具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 不同地震波作用下設(shè)置粘滯阻尼墻的減震性能研究

為了驗(yàn)證粘滯阻尼墻在裝配式斜支撐框架結(jié)構(gòu)中的減震性能，現(xiàn)在選取 三條波，分別是蘭州波1（人工波）、EL-centro波（天然波）和 Taft 波 2 （天然波），取這三條波的前30s分別輸入原始結(jié)構(gòu)、工況一結(jié)構(gòu)、工況二結(jié)構(gòu)和工況三結(jié)構(gòu)。由上述分析可知結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能在X向和Y向比較接近，故本文僅以結(jié)構(gòu)X 向頂層位移最大值和結(jié)構(gòu)的最大層間位移做對(duì)比分析。數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 不同工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

表3 3種地震波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

通過對(duì)比表3，工況一從底層開始連續(xù)布置 1 /3樓層阻尼墻，X 向頂層位移最大值減小幅度為12.4%～22.7%；工況二從底層開始連續(xù)布置 2 /3樓層阻尼墻，X 向頂層位移最大值減小幅度為45.8%～56%；工況三從底層開始到頂層連續(xù)布置阻尼墻，X 向頂層位移最大值減小幅度為61.6%～64.7%?？梢娫O(shè)置粘滯阻尼墻后，結(jié)構(gòu)的頂層最大位移都顯著降低，可見阻尼墻具有很好的減震性能。

無控制結(jié)構(gòu)方案中在三種地震波的作用下最大層間位移角限值均不滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，規(guī)程中規(guī)定高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移標(biāo)準(zhǔn)值，不得超過結(jié)構(gòu)層高的1/250。

工況一下結(jié)構(gòu)的最大層間位移明顯降低，但是在EL-centro波作用下的位移角限值依然不滿足規(guī)范要求。

工況二和工況三減震效果接近，但是相比工況一減震效果比較顯著，在三種地震波的作用下最大層間位移角限值均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

1.裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼框架在設(shè)置粘滯阻尼墻后，結(jié)構(gòu)的頂層最大位移和結(jié)構(gòu)的最大軸力均顯著降低，可見粘滯阻尼墻可以有效的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.輸入不同地震波研究粘滯阻尼墻的減震性能可以看出，在不同地震波作用情況下，減震效果都比較顯著，說明阻尼墻的減震性能受地震波類別影響不大。

3.通過三種工況對(duì)比分析可以看出，阻尼墻布置數(shù)量越多，其的減震效果越明顯；工況二的減震效果明顯優(yōu)于工況一，但是繼續(xù)增加阻尼墻的布置數(shù)量，工況三的減震效果較工況二變化不大；結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，可見工況二布置方案下的結(jié)構(gòu)減震性能最優(yōu)。