復合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震探究

摘 要：本文主要分析了復合金屬阻尼器力學參數(shù)，重點介紹了在高層建筑中復合金屬阻尼器的應(yīng)用情況，它不僅能夠減少高層建筑層間位移角和墻與連梁的破壞程度，而且還可以使高層建筑的抗震性能得到有效提升。通過對復合金屬阻尼器的應(yīng)用進行研究，以期為高層建筑的抗震提供可靠的保障，創(chuàng)造出最大化的經(jīng)濟與社會效益。

關(guān)鍵詞：高層建筑;復合金屬阻尼器;抗震效果

近些年來，在高層建筑施工階段，消能減震技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其不僅可以有效突破傳統(tǒng)抗震設(shè)計存在的缺陷和不足，而且還能夠有效改善結(jié)構(gòu)抗震性能，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果。地震所產(chǎn)生的能量可以通過消能裝置引向特別設(shè)置的元件或機構(gòu)，以達到吸收和耗散的目的，進而提高建筑主體結(jié)構(gòu)的安全性，根據(jù)消能機理不同可以將消能裝置分為位移和速度兩種，前者分為金屬消能器與摩擦消能器，而金屬消能器包括軟鋼阻尼器、復合金屬阻尼器，后者分為粘彈性消能器和粘滯消能器，不管是結(jié)構(gòu)構(gòu)造，制作成本還是在耗能能力方面，復合金屬阻尼器都具備比較好的表現(xiàn)，因此在高層建筑設(shè)計和施工中得到廣泛應(yīng)用。

如今，隨著城市化的發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，而在高層住宅中剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅占比達到了90%，這就對剪力墻結(jié)構(gòu)的消能減震提出了較高的要求。目前，越來越多的學者開始對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進行研究，研究內(nèi)容主要集中在耗能、設(shè)縫裝置等方面，如組合填充耗能剪力墻、帶縫耗能剪力墻及搖擺耗能剪力墻等。與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的滯回性能、延性相比，上述方法得到了明顯的優(yōu)化，并取得了不錯的效果，但是施工起來相對比較麻煩。而復合金屬阻尼器能夠有效解決上述問題，本文將會對高層建筑施工過程中，復合金屬阻尼器的應(yīng)用情況進行分析，以期達到理想的耗能減震效果。

1 復合金屬阻尼器力學參數(shù)

圖1 復合金屬阻尼器力學模型示意圖

在建筑結(jié)構(gòu)被動控制體系中，復合金屬阻尼器屬于比較常用的耗能裝置，可以起到比較理想的抗震效果。在地震作用下，通過塑性剪切滯回變形復合金屬阻尼器可以耗散輸入結(jié)構(gòu)中的地震能，進而實現(xiàn)減震的效果。在進行高層建筑施工過程中，按照要求設(shè)置耗能裝置，可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)的剛度，進而降低建筑結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，此外耗能裝置也可以為建筑結(jié)構(gòu)提供相對比較大的附加阻尼，使地震中輸入結(jié)構(gòu)的能量得到充分耗散，進而達到衰減結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。圖1描述的是復合金屬阻尼器力學模型。

復合金屬阻尼器滯回曲線可以通過下述公式進行確定：

式中：表示復合金屬阻尼器屈服力;表示復合金屬阻尼器承受的極限荷載;表示復合金屬阻尼器屈服位移;表示復合金屬阻尼器極限行程;表示復合金屬阻尼器的初始剛度;表示復合金屬阻尼器的第二剛度; 表示復合金屬阻尼器的等效剛度。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某高層建筑采用了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其總高度97.65m，地下2層，地31層?？拐鹪O(shè)防烈度設(shè)定為8度（0.20g），建筑場地類別為三類，剪力墻抗震等級一級，框架抗震等級為一級，基本風壓為0.45kN/m2。本次研究過程中，借助PERFORM-3D和SAP2000有限元軟件對該工程進行復合金屬阻尼器裝與不裝兩種情況進行模態(tài)分析，并探究和分析了地震時程反應(yīng)情況。

2.2 阻尼器布置與參數(shù)設(shè)置

結(jié)合消能元件的圍護和布置原則，對高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)選擇了附加墻的方式來對復合金屬阻尼器進行科學、合理的布置。該過程中，以混凝土墻體為復合金屬阻尼器提供相應(yīng)的支撐，這樣既能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的支撐剛度，而且還不會對墻體自身的建筑功能造成破壞。通過對建筑格局和結(jié)構(gòu)形式等因素進行綜合考慮后，布置了100個阻尼器，在 X向、Y向沿2層-26層，每層各布置 2個阻尼器。通過對幾種軟件模型分析結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，該有限元模型是切實可行的，結(jié)構(gòu)前6階周期對比數(shù)據(jù)如表1所示。

3 復合金屬阻尼器應(yīng)用結(jié)果分析

該工程中一共選擇了兩條三類場地波LWD_90波、基于地震分組和場地類別生成的人工波、namjyeong-2.

3.1 結(jié)構(gòu)彈性地震響應(yīng)分析

借助SAP2000有限元軟件對高層建筑結(jié)構(gòu)模型進行了8度中震和8度小震下的地震響應(yīng)分析，并優(yōu)化和調(diào)整了消能阻尼器的布設(shè)位置、動力參數(shù)和數(shù)量，對結(jié)構(gòu)減震前后相關(guān)參數(shù)的變化情況給予考察，以便對復合金屬阻尼器減震效果進行分析。在小震作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)變形較小，從而導致進入屈服階段的復合金屬阻尼器數(shù)量比較少，致使阻尼器并未真正發(fā)揮耗能效果，該階段要考慮復合金屬阻尼器對高層建筑結(jié)構(gòu)提供的附加剛度。

通過對圖2進行分析可以發(fā)現(xiàn)，在8度設(shè)防地震作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)層間所產(chǎn)生的位移超過了其設(shè)定的彈性限值，然而與塑性限值存在比較大的差距，致使高層建筑結(jié)構(gòu)主體處于彈性狀態(tài)。復合金屬阻尼器安裝后，不僅可以提高結(jié)構(gòu)整體剛度，而且還可以降低各層層間位移角，且隨層高變化X向降幅呈現(xiàn)先大后小的趨勢，Y向降幅呈現(xiàn)增大趨勢。同時，復合金屬阻尼器安裝后，可以有效控制結(jié)構(gòu)的水平變形情況，進而達到抗震效果。

3.2 結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)分析

對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，在9度中震作用下，可以獲取人工波工況下高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角發(fā)生的變化情況，如圖3所示。

通過對圖3進行分析得知，復合金屬阻尼器安裝后，高層建筑結(jié)構(gòu)各層層間位移角均出現(xiàn)了變小的趨勢，并且層間位移角在X向的平均減震率高達6.0%，隨著樓層高度的不斷增加，層間位移角平均減震率表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。同時，層間位移角在Y向平均減震率高達11.5%，隨著樓層高度的不斷增加，其減震效果更理想。

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震體系下，剪力墻屬于第二道防線，并取得了比較理想的抗震效果。此時可以通過對減震前變形最大的剪力墻的轉(zhuǎn)角時程曲線進行提取，并與減震后該墻肢對比，結(jié)果如圖4所示。通過對圖4進行分析發(fā)現(xiàn)，該墻肢，減震前最大轉(zhuǎn)角為0.0054，而減震后下降至0.0042，降低了23.2%。

通過對高層建筑結(jié)構(gòu)模型實施9度罕遇地震下所產(chǎn)生的彈塑性進行分析發(fā)現(xiàn)，各時程作用下高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角如圖5所示。在人工波作用下，原模型最大層間位移角為1/100，遠遠大于規(guī)范限制。在各時程波下，減震模型的層間位移角出現(xiàn)了不同幅度的下降，而且隨著樓層高度的增加降幅更加明顯，高層建筑結(jié)構(gòu)Y向平均減震率為14.6%，X向為25.4%。

在地震過程中，基底剪力可以反映結(jié)構(gòu)承受的總地震力大小，通過對其進行分析發(fā)現(xiàn)，在減震后高層建筑結(jié)構(gòu)Y方向平均底部剪力減小了18.7%，X方向減小6.7%，如圖6所示。在原模型荷載作用下選取的剪力墻已然破壞，并且最大壓應(yīng)變?yōu)?885 με，但是在減震模型中，剪力墻所產(chǎn)生的最大壓應(yīng)變?yōu)?543με，下降了18.2%。

4 結(jié)語

綜上所述，在進行高層建筑設(shè)計與施工過程中，引入復合金屬阻尼器，不僅在小震下可以為建筑結(jié)構(gòu)提供附加阻尼和附加剛度，而且在大震下還可以達到比較理想的減震效果，進而提高建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。

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作者簡介：田曉燕（1985-1），女，山西五臺人，漢族，本科學歷，工程師，研究方向：技術(shù)管理。