帶組合型阻尼器的可更換連梁

蔣歡軍　黃有露　李?lèi)疖?/p>

摘???要：提出了一種新型可更換連梁，在連梁中部設(shè)置O型鋼板-黏彈性組合型阻尼器.?進(jìn)行了黏彈性阻尼器、O型鋼板阻尼器以及組合型阻尼器的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表1明組合型阻尼器具有很強(qiáng)的耗能能力和變形能力.?提出了帶組合型阻尼器的可更換連梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)帶該可更換連梁與帶傳統(tǒng)鋼筋混凝土連梁的一個(gè)超高層結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析.?分析結(jié)果表1明，在風(fēng)荷載和小震作用下，黏彈性阻尼器開(kāi)始耗能，O型鋼板阻尼器處于彈性狀態(tài);在大震作用下，O型鋼板阻尼器屈服，與黏彈性阻尼器共同耗能.?組合型阻尼器在風(fēng)振和不同水準(zhǔn)地震作用下均能發(fā)揮消能減震作用.?帶新型可更換連梁的結(jié)構(gòu)具有比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更好的抗風(fēng)和抗震性能.

關(guān)鍵詞：組合型阻尼器;可更換連梁;設(shè)計(jì)方法;抗震性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375;TU352.1??????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Replaceable?Coupling?Beam?with?Combined?Dampers

JIANG?Huanjun？，HUANG?Youlu，LI?Kaixuan

（State?Key?Laboratory?of?Disaster?Reduction?in?Civil?Engineering，?Tongji?University，?Shanghai?200092，?China）

Abstract：?A?new?type?of?replaceable?coupling?beam（RCB）?with?O-shaped?steel?plate-viscoelastic?combined?damper?at?the?mid?span?was?proposed.?The?O-shaped?steel?plate?damper，?viscoelastic?damper?and?combined?damper?were?tested?under?low-cyclic?loading.?The?test?results?show?that?the?combined?damper?has?strong?energy-dissipation?and?deformation?capacity.?The?design?method?for?the?structure?installed?with?RCBs?was?proposed.?The?responses?of?a?super-tall?structure?with?RCBs?under?the?wind?and?earthquakes?were?compared?with?those?of?the?structure?with?traditional?RC?coupling?beams.?The?results?show?that，under?the?wind?and?minor?earthquake，?viscoelastic?dampers?dissipate?energy，while?O-shaped?steel?plate?dampers?keep?in?elastic?state.?Under?the?rare?earthquake，O-shaped?steel?plate?dampers?yield?and?dissipate?energy?together?with?viscoelastic?damper.?The?combined?dampers?play?the?role?of?dissipating?energy?and?reducing?the?response?under?the?wind?and?the?earthquake?with?different?level?of?intensity.?The?structure?with?RCBs?exhibits?better?wind?resistance?and?earthquake?resistance?capacity?than?the?traditional?structures.

Key?words：?combined?damper;replaceable?coupling?beam;design?procedure;seismic?performance

蔣歡軍等：帶組合型阻尼器的可更換連梁

現(xiàn)階段我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)思想是“小震不壞、中震可修、大震不倒”，這一思想有效地控制了地震中結(jié)構(gòu)的倒塌和人員傷亡，但大量的震害表1明，由于部分主要構(gòu)件損傷嚴(yán)重，震后修復(fù)困難，結(jié)構(gòu)往往只能推倒重建，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2].?從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，基于性能的抗震設(shè)計(jì)逐漸成為工程抗震的主流方向之一[3]，該方法保證建筑在未來(lái)可能發(fā)生的地震作用下具有預(yù)期的抗震性能和安全度.

2009年1月，在美日地震工程第2階段合作會(huì)議上，美日學(xué)者首次提出將“可恢復(fù)功能城市”作為未來(lái)地震工程合作的大方向[4]，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn).?連梁作為剪力墻肢之間的連接構(gòu)件，跨高比常小于2，在地震作用下容易形成X形交叉裂縫，難以實(shí)現(xiàn)端部塑性鉸耗能從而發(fā)生脆性剪切破壞.?為此，研究人員提出了可更換連梁的概念，即在連梁中設(shè)置可更換消能部件，在地震發(fā)生時(shí)消耗結(jié)構(gòu)主要的地震能量，保護(hù)主體構(gòu)件不發(fā)生破壞[5].?若可更換部件在強(qiáng)震中發(fā)生破壞，在震后更換方便，則可實(shí)現(xiàn)建筑功能的快速恢復(fù).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種形式的可更換連梁.?2007年克萊姆森大學(xué)的Fortney等[6]提出部分削弱工字鋼連梁腹板的厚度，制成可更換連梁保險(xiǎn)絲.?2009年韓國(guó)檀國(guó)大學(xué)的Chung等[7]提出在鋼連梁中部附加一個(gè)摩擦阻尼器，通過(guò)摩擦阻尼器來(lái)增強(qiáng)連梁的耗能能力.?進(jìn)一步研究表1明，將不同耗能機(jī)制的耗能部件組合在一起，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)從而提升耗能能力.?2015年同濟(jì)大學(xué)的朱奇云、呂西林[8]提出了一種新型橡膠-軟鋼復(fù)合耗能器，在小變形狀態(tài)下，剪切鋼板帶動(dòng)黏彈性材料發(fā)生剪切變形;在大變形狀態(tài)下，軟鋼發(fā)生剪切變形耗能.

帶金屬阻尼器的傳統(tǒng)連梁耗能能力強(qiáng)，但在小震和風(fēng)振作用下阻尼器處于彈性狀態(tài)，無(wú)法起到耗能作用;黏彈性阻尼器在很小的位移下即開(kāi)始耗能，但抗側(cè)剛度較小，單獨(dú)使用時(shí)耗能能力較弱.?因此，本文提出了一種帶O型鋼板-黏彈性組合型阻尼器的新型可更換連梁，該組合型阻尼器在風(fēng)振和不同水準(zhǔn)地震作用下均能發(fā)揮消能減震作用，震后便于拆卸更換.?給出了組合型阻尼器的構(gòu)造形式和力學(xué)性能計(jì)算公式，并進(jìn)行了阻尼器的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，進(jìn)一步提出了帶新型可更換連梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法.?通過(guò)對(duì)帶新型可更換連梁與帶傳統(tǒng)鋼筋混凝土連梁的超高層結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下反應(yīng)的對(duì)比分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震性能.

1 帶組合型阻尼器的可更換連梁

1.1?? 組合型阻尼器組成

組合型阻尼器由一塊O形鋼板阻尼器和一塊黏彈性阻尼器并聯(lián)而成，通過(guò)O型鋼板彎曲變形和黏彈性阻尼器剪切變形的耗能機(jī)制協(xié)同耗能.?O形鋼板-黏彈性組合型阻尼器的組成和在連梁中的連接形式如圖1所示.?其中O型鋼板阻尼器是將一塊鋼板彎曲成“O”形并焊接成一體，沿厚度方向在左右兩端與外部鋼板連接;黏彈性阻尼器是由約束鋼板和中間鋼板夾著兩層黏彈性材料層組成，二者通過(guò)高溫硫化作用緊密連接，再通過(guò)高強(qiáng)螺栓或焊縫連接外部鋼板.

O型鋼板阻尼器由兩塊U型鋼板通過(guò)中部擴(kuò)大連接板并聯(lián)而成，連接板屬于構(gòu)造構(gòu)件，對(duì)O型鋼板阻尼器力學(xué)性能的影響可以忽略不計(jì)，因此由對(duì)稱(chēng)性對(duì)O型鋼板阻尼器的半邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.?U型鋼板的平面外變形會(huì)受到梁的約束限制，僅在圓弧段發(fā)生平面內(nèi)彎曲變形，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的力法相關(guān)知識(shí)[9]，可得到如下O型鋼板阻尼器的主要力學(xué)性能計(jì)算公式：

K?=?，??????（1）

Fy?=?，???????（2）

uy?=??=?.????????（3）

式中：K、Fy、uy分別為O型鋼板阻尼器的初始剛度、屈服承載力和屈服位移;t、w、r、s分別為鋼板厚度、鋼板寬度、圓弧段半徑和平直段長(zhǎng)度;σy為鋼板彎曲時(shí)截面應(yīng)力;E為材料的彈性模量.

對(duì)于黏彈性阻尼器，采用Shen等[10]提出的等效剛度模型，計(jì)算公式如下：

Keq?=?.????????（4）

式中：G1為黏彈性材料的儲(chǔ)能剪切模量;n、A、t分別為黏彈性材料層數(shù)、剪切面積和厚度;Keq為等效剛度.

可更換連梁由三部分組成：中間段為可更換的組合型阻尼器，左、右兩段均為型鋼混凝土梁.?可更換段與左右兩段均采用螺栓連接，便于震后更換.

1.2???阻尼器試驗(yàn)結(jié)果

為研究黏彈性阻尼器、O型鋼板阻尼器以及二者并聯(lián)形成的組合型阻尼器的力學(xué)性能和耗能能力，分別對(duì)3種阻尼器進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析.

黏彈性阻尼器的剪切面積取為4?×?104?mm2，材料層層數(shù)為2層，厚度為16?mm，采用應(yīng)變幅值逐漸增大的正弦循環(huán)位移加載方式，試件加載照片和試驗(yàn)得到的滯回曲線如圖2所示.?從圖2中可看出，黏彈性阻尼器在很小的位移下即開(kāi)始耗能，耗能能力良好.?在該設(shè)計(jì)參數(shù)下，當(dāng)加載至150%剪切應(yīng)變時(shí)，黏彈性阻尼器的最大剪力可達(dá)到132?kN.

設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)式O型鋼板阻尼器，其中單個(gè)O型鋼板阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)取為22?mm×160?mm×150?mm×120?mm（t×w×r×s）.?再將同尺寸參數(shù)的黏彈性阻尼器與并聯(lián)式O型鋼板阻尼器組合，形成O型鋼板-黏彈性組合型阻尼器.?對(duì)兩種阻尼器在小變形和大變形狀態(tài)下的耗能性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示.

并聯(lián)式O型鋼板阻尼器試驗(yàn)采用位移控制加載制度，組合型阻尼器試驗(yàn)采用應(yīng)變幅值逐漸增加的正弦循環(huán)位移加載制度，得到的滯回曲線對(duì)比如圖4所示.?從圖中可知，當(dāng)剪切位移較小時(shí)，并聯(lián)式O型鋼板阻尼器基本處于彈性狀態(tài)，沒(méi)有形成滯回環(huán)，而組合型阻尼器由于黏彈性阻尼器在很小的變形下即可耗能，滯回環(huán)面積較大，耗能性能良好.

隨著加載位移逐漸增大，兩種阻尼器的滯回環(huán)面積逐漸增大，耗能性能穩(wěn)定，滯回曲線對(duì)比如圖5所示.?從圖中可知，當(dāng)加載位移達(dá)到66?mm時(shí)，由于組合型阻尼器中的黏彈性材料部分與鋼板分離，峰值承載力迅速下降，而此時(shí)并聯(lián)式O型鋼板阻尼器仍具有穩(wěn)定的承載能力和耗能能力.?當(dāng)加載位移達(dá)到88?mm時(shí)，黏彈性材料層與鋼板完全脫離，組合型阻尼器的承載能力完全由O型鋼板阻尼器承擔(dān)，二者的滯回曲線基本重合.

1.3?? 設(shè)計(jì)方法

為減輕傳統(tǒng)連梁在地震作用下的破壞，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)震后可更換、快速修復(fù)的要求，可更換連梁的設(shè)計(jì)要求如下：在風(fēng)荷載和小震作用下，O形鋼板阻尼器處于彈性狀態(tài)，黏彈性阻尼器工作、耗能;在中震和大震作用下，O型鋼板阻尼器屈服，與黏彈性阻尼器共同耗能.

采用組合型阻尼器與傳統(tǒng)鋼筋混凝土連梁等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則.?對(duì)傳統(tǒng)鋼筋混凝土連梁，當(dāng)采用對(duì)稱(chēng)配筋且無(wú)斜筋時(shí)，其正截面抗彎及抗剪承載力按下列公式計(jì)算[11]：

Mc?=?fy?As（H0?-?a′

s），???????（5）

Vc1?≤?（0.38ft?bh0?+?0.9fyvh0），???????（6）

Vc2?≤?（0.2βc?fcbh0）.????????（7）

式中：Mc為截面抗彎承載力;Vc1、Vc2為截面抗剪承載力;γRE為鋼筋混凝土構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)，梁受彎、受剪時(shí)分別取為0.75、0.85;fy、?fyv分別為縱筋和箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ft、?fc分別為混凝土軸心抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為單側(cè)受拉縱向鋼筋截面面積;a′

s為受壓區(qū)縱向鋼筋合力點(diǎn)至截面受壓邊緣的距離;h0為截面有效高度;b為截面寬度;Asv為箍筋截面面積;s為箍筋間距;βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)取1.0.

可更換段中組合型阻尼器的抗剪承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)滿足式（8）要求.

Vc?=?2VOSD?+?VVSD?≥min（2Mc?/L，Vc1，Vc2）.????????（8）

式中：VOSD為O型鋼板阻尼器的抗剪承載力;VVSD為黏彈性阻尼器的抗剪承載力;L為傳統(tǒng)鋼筋混凝土連梁長(zhǎng)度.

O型鋼板阻尼器屈服后剛度較小，而黏彈性阻尼器在150%剪切應(yīng)變內(nèi)的剛度變化不大.?基于阻尼器試驗(yàn)得到的峰值剪力計(jì)算結(jié)果，給出黏彈性阻尼器的抗剪承載力占截面總剪力的1/3～1/2，其余剪力由O型鋼板阻尼器承擔(dān).

組合型阻尼器的抗剪剛度相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土連梁的剛度較小，在確定組合型阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)后需驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在多遇地震下的層間位移角是否滿足規(guī)范限值要求.

對(duì)于連梁的可更換段長(zhǎng)度，涉及到墻肢與連梁的轉(zhuǎn)動(dòng)能力及可更換段自身的變形能力.?可更換段豎向位移可按式（9）計(jì)算.

d?=?Lf?γ??=?Lwallθ.????????（9）

式中：d、Lf?分別為可更換段豎向位移和長(zhǎng)度;Lwall為聯(lián)肢剪力墻墻肢形心之間的距離;γ為可更換段轉(zhuǎn)角;θ為結(jié)構(gòu)層間位移角.

為保證組合型阻尼器滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，O型鋼板阻尼器和黏彈性阻尼器需分別滿足下式要求：

Lwallθe?

dmax?=?Lwallθp?≤?2t.????????（11）

式中：θe、θp分別為結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性層間位移角限值;t為黏彈性材料層厚度;uy為O型鋼板阻尼器的屈服位移.

1.4?? 設(shè)計(jì)流程

實(shí)際工程中，對(duì)于設(shè)置可更換連梁的位置確定是十分重要的，最直接的方法是通過(guò)結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)譜分析確定內(nèi)力較大的連梁進(jìn)行替換.?一般在高層建筑中，結(jié)構(gòu)總高度1/3位置處連梁的內(nèi)力最大[12]，往往容易超筋，可設(shè)計(jì)為可更換連梁.?帶組合型阻尼器的新型可更換連梁的基本設(shè)計(jì)步驟如下：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)已有信息，對(duì)帶傳統(tǒng)連梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性反應(yīng)譜分析，確定內(nèi)力較大的連梁，將這些連梁作為新型可更換連梁進(jìn)行設(shè)計(jì).

2）根據(jù)可更換連梁的位置信息，由公式（9）（10）（11）分別確定可更換段長(zhǎng)度Lf、O型鋼板阻尼器的屈服位移uy和黏彈性阻尼器材料層厚度t.

3）根據(jù)確定的O型鋼板阻尼器的屈服位移uy，

由公式（3）初步確定O型鋼板阻尼器的尺寸參數(shù)t、w、r、s（分別為鋼板厚度、鋼板寬度、圓弧段半徑和平直段長(zhǎng)度）.

4）選定適當(dāng)?shù)募袅Τ袚?dān)比例，根據(jù)原連梁的抗剪承載力計(jì)算公式（8）分別確定黏彈性阻尼器抗剪承載力VVSD和O型鋼板阻尼器抗剪承載力VOSD.

5）選擇黏彈性阻尼器的構(gòu)造形式和黏彈性材料（確定黏彈性材料的層數(shù)n、儲(chǔ)能剪切剛度G1），根據(jù)確定的抗剪承載力VVED和最大豎向位移dmax由公式（4）確定黏彈性材料的剪切面積A.

6）根據(jù)確定的O型鋼板阻尼器抗剪承載力VOSD（等于Fy），由公式（2）進(jìn)一步優(yōu)化O型鋼板阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù).

7）采用數(shù)值模擬方法對(duì)帶可更換連梁的結(jié)構(gòu)再進(jìn)行彈性反應(yīng)譜分析，驗(yàn)算層間位移角是否滿足規(guī)范要求，若滿足要求，則結(jié)束設(shè)計(jì)，否則回到步驟4）重新設(shè)計(jì).

2???超高層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1?? 模型參數(shù)

本文作者課題組設(shè)計(jì)了一個(gè)50層帶有傳統(tǒng)鋼筋混凝土連梁的超高層型鋼混凝土框架-混凝土核心筒Benchmark模型[13]（簡(jiǎn)稱(chēng)CBM），標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)平面布置如圖6所示.

結(jié)構(gòu)底層層高為6?m，其余樓層層高為4.5?m，總高度為226.5?m.?抗震設(shè)防烈度為8度（0.2?g），場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，設(shè)計(jì)分組為第1組，特征周期為0.45?s，基本風(fēng)壓為0.55?kN/m2，場(chǎng)地粗糙度類(lèi)別為C類(lèi).?型鋼混凝土柱和核心筒的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，樓板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，鋼材強(qiáng)度等級(jí)均為Q345;連梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，截面高度為750?mm，寬度與墻厚相同，隨結(jié)構(gòu)高度的增加而減小.?樓面及屋面恒載均為4?kN/m2，樓面活載為3?kN/m2，屋面活載取0.5?kN/m2.

2.2?? 可更換連梁設(shè)計(jì)

帶新型可更換連梁的結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)稱(chēng)為NBM.?由CBM正交兩個(gè)方向的彈性反應(yīng)譜分析可知，11～20層兩個(gè)方向的連梁內(nèi)力均較大，考慮經(jīng)濟(jì)性和NBM的抗側(cè)剛度，對(duì)CBM?11～20層之間所有X方向的連梁進(jìn)行更換，每層10根，共計(jì)100根;對(duì)CBM?11～20層之間Y方向中部的兩排連梁進(jìn)行更換，每層14根，共計(jì)140根.?根據(jù)可更換連梁的設(shè)計(jì)流程，確定的O型鋼板和黏彈性阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表11.

2.3?? 計(jì)算模型

對(duì)于材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，型鋼和鋼筋均采用雙折線模型，對(duì)不同類(lèi)型的構(gòu)件混凝土的本構(gòu)關(guān)系選擇不同.?外框架中的型鋼混凝土柱和剪力墻中的約束邊緣構(gòu)件的箍筋配置較多，對(duì)混凝土的約束作用明顯，使用考慮箍筋約束效應(yīng)的Mander模型[14];連梁、樓板和剪力墻中非約束邊緣構(gòu)件的墻體使用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB?50010—2010）中建議的本構(gòu)模型.?使用Perform-3D有限元軟件建立結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型.

梁、柱、剪力墻分別選擇Beam?Element、Column?Element、Shear?Wall?Element，采用纖維截面進(jìn)行模擬.?需要指出的是，Perform-3D中沒(méi)有可直接用來(lái)模擬SRC柱的單元，實(shí)際建模過(guò)程中，可以將SRC柱中的型鋼纖維通過(guò)面積等效的方法離散成鋼筋纖維.?對(duì)黏彈性阻尼器，參照多倫多大學(xué)Lyons建立的Kelvin-Voigt模型[15]，并通過(guò)并聯(lián)一個(gè)提供剛度的彈性桿及提供黏滯力的Fluid單元達(dá)到擬合效果.?對(duì)O型鋼板阻尼器，取一個(gè)位移相關(guān)型剪切鉸提供剪力，通過(guò)與剪切鉸串聯(lián)的鋼梁?jiǎn)卧峁┛辜魟偠燃拜S向剛度.

2.4?? 模態(tài)分析

通過(guò)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，可得到結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力特性.?對(duì)比發(fā)現(xiàn)NBM和CBM的模態(tài)振型完全一致，前3階模態(tài)的對(duì)比見(jiàn)表12.?從表12中可看出，由于11～20層X(jué)方向的連梁全部替換成可更換連梁，因此結(jié)構(gòu)的整體剛度有所削弱，第一周期增大了8.65%，Y方向的連梁做了部分替換，周期增大了5.2%，第三振型即扭轉(zhuǎn)周期增大了16%，對(duì)結(jié)構(gòu)的Z向振型及局部振型周期沒(méi)有影響.?結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比滿足規(guī)范限值0.85的要求.

2.5?? 反應(yīng)譜分析

對(duì)CBM和NBM進(jìn)行8度小震作用下的彈性反應(yīng)譜分析，層間位移角計(jì)算結(jié)果如圖7所示.?從圖中結(jié)果可知，由于NBM?11～20層設(shè)置了可更換連梁，層間位移角增大，X、Y方向?qū)娱g位移角最大增幅分別達(dá)到41.42%、39.13%，但仍滿足規(guī)范規(guī)定的彈性層間位移角限值1/549（線性?xún)?nèi)插得到）的要求.?此外，NBM和CBM相比，最大層間位移角所在的樓層位置也發(fā)生了變化.

3???彈塑性時(shí)程分析

3.1???地震波選取

結(jié)合場(chǎng)地條件和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，選擇5條天然波和2條人工波共計(jì)7條地震波作為輸入地震波，其中4條天然地震波來(lái)自PEER強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，另外1條天然地震波為汶川波.?地震波采用雙向輸入，兩個(gè)方向輸入加速度幅值之間的比例關(guān)系為1∶0.85，多遇地震和罕遇地震作用下的加速度峰值分別為70?gal、400?gal.?選取的地震波信息見(jiàn)表13.?各條地震波的加速度反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比如圖8所示.

3.2???地震時(shí)程分析結(jié)果

3.2.1???層間位移角

表14列出了兩個(gè)結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下最大層間位移角的對(duì)比結(jié)果.?整體而言，在多遇地震作用下，NBM的最大層間位移角大于CBM，主要原因在于可更換連梁的剛度小于普通鋼筋混凝土連梁，NBM的抗側(cè)剛度小于CBM，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的平均層間位移角均滿足規(guī)范限值1/549的要求.?NBM的最大層間位移角增加不多，平均增大2%.

在罕遇地震作用下，整體而言，NBM的最大層間位移角小于CBM，特別是在ELC270波、H-EI0050波和TAK000波作用下，層間位移角控制效果顯著.?NBM的最大層間位移角平均比CBM減小10%.?此時(shí)NBM的平均層間位移角滿足規(guī)范限值1/100的要求.

3.2.2???阻尼器耗能性能

限于篇幅，以NBM?第15層的外墻連梁為例，分析其在多遇地震和罕遇地震作用下設(shè)置的O型鋼板和黏彈性阻尼器在TAK000波作用下的滯回曲線，如圖9、圖10所示.

在多遇地震作用下，O型鋼板阻尼器荷載-位移曲線為直線，鋼板未發(fā)生屈服，處于彈性狀態(tài)，剛度較大.?黏彈性阻尼器滯回曲線飽滿，呈典型的橢圓形狀，在很小的位移下即開(kāi)始耗能.

在罕遇地震作用下，O型鋼板阻尼器進(jìn)入塑性耗能，滯回曲線近似為平行四邊形，耗能性能穩(wěn)定，屈服后剛度較小.?黏彈性阻尼器滯回曲線飽滿，繼續(xù)發(fā)揮耗能能力，減小了主體結(jié)構(gòu)消耗的地震能量，從而更好地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu).

（a）O型鋼板阻尼器

（b）黏彈性阻尼器

3.2.3???損傷情況

在罕遇地震作用下，NBM的剪力墻損傷明顯小于CBM，尤其是在ELC270波、H-EI0050波和TAK000波作用下，可更換連梁充分發(fā)揮耗能性能，減輕主體結(jié)構(gòu)的損傷.?圖11所示為在地震波TAK000作用下，NBM和CBM的剪力墻混凝土損傷情況對(duì)比，不同顏色代表1了剪力墻混凝土出現(xiàn)的最大應(yīng)變與混凝土極限壓應(yīng)變的比值.?可以看出NBM底部剪力墻墻肢的損傷相對(duì)較大，出現(xiàn)受壓損傷的剪力墻墻肢分布樓層較CBM大體不變，但損傷水平有明顯降低.

3.3???風(fēng)荷載響應(yīng)分析

本算例結(jié)構(gòu)高226.5?m，需按規(guī)范要求進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的舒適度驗(yàn)算.?Perform-3D軟件中無(wú)法直接定義風(fēng)荷載，因此需要對(duì)風(fēng)荷載作用進(jìn)行等效模擬.?具體的方法是根據(jù)外立面風(fēng)荷載體型系數(shù)將Benchmark模型分為5段，將每一段的風(fēng)壓時(shí)程乘以受風(fēng)面積等效成為均勻分布在該段的節(jié)點(diǎn)力的時(shí)程，再通過(guò)定義節(jié)點(diǎn)力的時(shí)程實(shí)現(xiàn)風(fēng)荷載的施加.

結(jié)構(gòu)每一段的風(fēng)壓時(shí)程來(lái)源于相應(yīng)的風(fēng)速時(shí)程，對(duì)于任意一點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程，一般包括平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)兩個(gè)部分.?首先計(jì)算結(jié)構(gòu)各段代表1點(diǎn)的平均風(fēng)速，再根據(jù)李杰等[16]提出的脈動(dòng)風(fēng)速隨機(jī)Fourier譜模型生成脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程，將二者疊加后得到各點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程.?《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB?50009—2012）中給出了風(fēng)壓ω和風(fēng)速v的換算公式：

ω?=?ρv2.?????（12）

式中：ρ為空氣密度.

3.3.1???阻尼器滯回曲線

仍以NBM第15層外墻連梁為例，分析其在風(fēng)荷載作用下O型鋼板和黏彈性阻尼器的滯回曲線，如圖12所示.?可看出，在風(fēng)荷載作用下O型鋼板阻尼器荷載-位移曲線保持直線，處于彈性狀態(tài);黏彈性阻尼器在較小的位移下即開(kāi)始耗能，滯回環(huán)面積不斷增大，在風(fēng)荷載作用下呈現(xiàn)出良好的耗能性能.

3.3.2???加速度反應(yīng)

兩個(gè)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向各層的加速度峰值反應(yīng)如圖13所示.?從圖中可看出，相比CBM，NBM在X和Y兩個(gè)方向多數(shù)樓層的加速度峰值有明顯降低.

兩個(gè)結(jié)構(gòu)頂層的加速度時(shí)程如圖14所示，X方向和Y方向最大值分別減小10%和16%.?兩個(gè)結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范限值0.15?m/s2的要求.

4???結(jié)???論

本文提出了一種帶O型鋼板-黏彈性組合型阻尼器的可更換連梁，對(duì)組合型阻尼器進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)，建立了帶可更換連梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了算例分析.?通過(guò)上述研究，可獲得如下主要結(jié)論：

1）試驗(yàn)結(jié)果表1明，黏彈性阻尼器在很小的位移下即開(kāi)始耗能，耗能性能良好.?并聯(lián)式O型鋼板阻尼器在位移較小時(shí)沒(méi)有形成滯回環(huán)，在大變形狀態(tài)下耗能性能穩(wěn)定.?組合型阻尼器將O型鋼板阻尼器和黏彈性阻尼器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，在風(fēng)振和不同水準(zhǔn)地震作用下均能發(fā)揮消能減震作用.

2）提出的帶O型鋼板-黏彈性組合型阻尼器的

可更換連梁設(shè)計(jì)方法是基于強(qiáng)度等效的原則.?帶組合型阻尼器的可更換連梁相比于傳統(tǒng)混凝土連梁剛度較小，因此將部分傳統(tǒng)連梁替換成可更換連梁后，結(jié)構(gòu)的整體剛度會(huì)有所下降.

3）在多遇地震作用下，O型鋼板阻尼器處于彈

性狀態(tài)，黏彈性阻尼器開(kāi)始耗能，NBM的層間位移角略大于CBM.?在罕遇地震作用下，O型鋼板阻尼器屈服與黏彈性阻尼器協(xié)同耗能，NBM的層間位移角和剪力墻損傷明顯小于CBM.?在風(fēng)荷載作用下，O型鋼板阻尼器始終保持彈性，黏彈性阻尼器在很小的位移下即開(kāi)始耗能.?相比CBM，NBM的多數(shù)樓層的加速度反應(yīng)有明顯降低.

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