耗能減震技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)建筑性能提升中的應(yīng)用

孫道乾

摘 要：本文通過對某鋼結(jié)構(gòu)進行減震加固分析，討論了基于防屈曲鋼板剪力墻和黏滯阻尼器兩種減震方案在多遇、罕遇地震影響下的性能對比。在多遇地震下，兩方案的層間位移角相比原結(jié)構(gòu)都有所減小;在罕遇地震情況下，兩種布置方案都有效耗散了地震能量，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。對比發(fā)現(xiàn)，黏滯阻尼器滯回曲線更加飽滿，消耗地震能量較多，兩方案布置均滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);性能對比;滯回曲線

中圖分類號：TU352文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0086-03

Study on the Application of Energy Dissipation Damping Technology in the Performance Improvement of Steel Structure Building

SUN Daoqian

（School of Civil Engineering and Communication， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Based on the analysis of a steel structure， this paper discussed the performance comparison of two damping schemed based on buckling restrained steel plate shear wall and viscous damper under the influence of frequent and rare earthquakes. In the case of frequent earthquakes， the story drift angle of the two schemes was smaller than that of the original structure; In case of rare earthquake， the two layout schemes could effectively dissipate the seismic energy and improve the safety of the structure. It was found that the hysteretic curve of viscous damper was fuller and consumes more seismic energy. Both schemes met the requirements of the code.

Keywords： steel structure;performance comparison;hysteresis curve

耗能減震主要是通過在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部設(shè)置耗能構(gòu)件或阻尼元件，以增大阻尼，得到一個周期長于原有自振周期和場地卓越周期的結(jié)構(gòu)，通過耗能（阻尼）裝置產(chǎn)生摩擦、彎曲（或剪切、扭轉(zhuǎn)）彈塑性滯回變形來耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，以減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。防屈曲鋼板剪力墻作為位移型阻尼器，在中震或大震下具有良好的滯回耗能能力。本文采用防屈曲鋼板剪力墻與黏滯阻尼器作為耗能構(gòu)件，研究其在既有建筑結(jié)構(gòu)減震方面的應(yīng)用。

1 耗能減震原理及防屈曲鋼板剪力墻

1.1 耗能減震原理

基于能量轉(zhuǎn)換角度闡述減震控制下能量平衡方程[1]，耗能減震結(jié)構(gòu)平衡方程為：

[EQ=EV+ES+EC+ED]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[EQ]為結(jié)構(gòu)體系輸入全部的地震能;[EV]為地震過程輸入的動能與勢能之和;[ES]為結(jié)構(gòu)體系彈塑性變形所消耗應(yīng)變能;[EC]為主體結(jié)構(gòu)阻尼耗能;[ED]為耗能裝置吸收耗散的能量。

與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)相比，在輸入地震能總量維持不變的情況下，耗能構(gòu)件可以在結(jié)構(gòu)體系進入非彈性工作前開始耗能，效果明顯。試驗表明：[EQ]中接近90%甚至以上的能量被耗能構(gòu)件吸收;能量方程[ED]大大增加，使得主體結(jié)構(gòu)耗能減弱，結(jié)構(gòu)損傷降低。

1.2 防屈曲鋼板剪力墻構(gòu)造及內(nèi)部機理

與傳統(tǒng)鋼板剪力墻不同之處在于，防屈曲鋼板剪力墻把內(nèi)部鋼板作為重要抗側(cè)力構(gòu)件，通過留孔所加的特殊裝置約束混凝土蓋板處的屈曲，從而減少鋼板拉力對周圍框架梁柱產(chǎn)生的彎矩。鑒于結(jié)構(gòu)布置類型﹑剛度不同，可以改變內(nèi)部鋼板的厚度﹑約束區(qū)位置以及連接件裝置的種類，以通過改變剪力墻的剛度來提高整體承載力。由于防屈曲鋼板剪力墻中間剪切區(qū)只對梁傳遞剪力，不產(chǎn)生橫向荷載，而且在結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移時，內(nèi)部鋼板產(chǎn)生剪切變形提供阻尼力，所以減小了結(jié)構(gòu)的延性變形。同時，施工作業(yè)方便快捷，且作為建筑隔墻，具有一定的美觀效果。

2 案例背景

本文研究的工程是河南省新鄉(xiāng)市某鋼結(jié)構(gòu)實驗樓，地上10層，無地下室，1—2層每層的層高為4.2 m，3—10層，每層的層高為3.6 m，該建筑采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。考慮到結(jié)構(gòu)的功能作用，依據(jù)設(shè)計規(guī)范，結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q345，梁柱截面尺寸不一，但均符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

3 減震方案布置

由《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 380—2015）[1]可知，防屈曲鋼板剪力墻工作機理可以被等效交叉支撐模型較好模擬。鑒于等效交叉支撐模型在結(jié)構(gòu)分析與建模過程中應(yīng)用較方便，與實際鋼板墻模擬結(jié)果相差不大，本文選用SAP2000中多線性塑性單元模擬防屈曲鋼板剪力墻，在滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，提升建筑性能，降低經(jīng)濟成本。

3.1 防屈曲鋼板剪力墻布置

目前，防屈曲鋼板剪力墻用等效交叉支撐替代研究較少，而確定等效支撐模型的難度在于支撐點選取以及內(nèi)部參數(shù)確定是否合理。李國強等人對兩邊連接屈曲約束鋼板墻的等效支撐模型支撐點選取作了論述，當高寬比（h/b）≥1.5時，支撐點宜取在距剪力墻邊緣處h/b處;當（h/b）<1.5時，支撐點取在0.1h處[2]。本文采用Plastic單元[4]模擬等效支撐，該布置記為方案一。

3.2 黏滯阻尼器布置

黏滯阻尼器作為速度型阻尼耗能裝置，在一定程度上能夠減小結(jié)構(gòu)變形。黏滯阻尼器對結(jié)構(gòu)只提供阻尼，不提供附加剛度，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。但其布置應(yīng)遵循一定的原則，通常選擇連續(xù)布置[3]，隔層布置導(dǎo)致個別層剛度過大，加大相鄰樓層的變形。本方案采用連續(xù)布置，布置位置同上述方案。利用Damper單元模擬阻尼器，采取斜向型連接方式模擬，該布置記為方案二。

4 結(jié)構(gòu)分析計算

4.1 地震波選取

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）[4]中5.1.2條的要求，本案例選取了2條天然波和1條人工波，天然波和人工波選取均符合設(shè)計要求。

4.2 多遇地震時程分析

采用有限元分析軟件SAP2000，對原結(jié)構(gòu)、等效交叉支撐模擬防屈曲鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)以及布置阻尼器結(jié)構(gòu)進行多遇地震下的時程分析，對比兩個模型所得數(shù)據(jù)，驗證減震設(shè)計合理性。鑒于SAP2000更適合分析有限個非線性單元，本文對原結(jié)構(gòu)及減震兩個方案結(jié)構(gòu)進行時程分析，分別取一條天然波的基底剪力和層間位移角進行對比，結(jié)果如圖1到圖4所示。

4.2.1 基底剪力圖數(shù)據(jù)對比。從基底剪力圖數(shù)據(jù)可知，在多遇地震下，等效交叉支撐單元模擬防屈曲鋼板剪力墻可以為結(jié)構(gòu)提供剛度，但不提供附加阻尼，防屈曲鋼板剪力墻在彈性階段提供較大剛度，側(cè)向力作用下有效發(fā)揮了鋼板墻承載能力，合理的耗能裝置布置有效增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使得基底剪力增加，與原結(jié)構(gòu)基底剪力相比，X向最大增加54.1%，Y向增加33.2%;而黏滯阻尼器僅提供附加阻尼不提供附加剛度，這使得結(jié)構(gòu)基底剪力有所減少，與原結(jié)構(gòu)的基底剪力相比，X向最大減少12.5%，Y向減少12.8%?？梢?，同樣作為耗能構(gòu)件，防屈曲鋼板剪力墻增加了結(jié)構(gòu)基底剪力，黏滯阻尼器降低了結(jié)構(gòu)基底剪力。

4.2.2 層間位移角數(shù)據(jù)對比。從圖3和圖4可知，在地震作用下，原結(jié)構(gòu)X向和Y向?qū)娱g位移角在結(jié)構(gòu)中下段的控制較弱，原結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度低，加大構(gòu)件截面尺寸與配筋量效果并不明顯，考慮到經(jīng)濟性，采用耗能裝置來減弱結(jié)構(gòu)變形是合理有效的辦法。布置減震方案后，可明顯看出原結(jié)構(gòu)層間位移角降低，方案一的防屈曲鋼板剪力墻能提供抗側(cè)剛度，X向?qū)娱g位移角降低57.9%，Y向?qū)娱g位移角最大降低60.7%;方案二的黏滯阻尼器雖然不提供抗側(cè)剛度，但由于結(jié)構(gòu)阻尼加大，在地震作用下比結(jié)構(gòu)構(gòu)件率先耗能，使得結(jié)構(gòu)層間位移角降低，X向降低20.1%，Y向降低15.48%。整體效果來看，方案一比方案二更優(yōu)。

4.3 罕遇地震時程分析

研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能，更能體現(xiàn)耗能減震構(gòu)件的耗能能力。同樣選取上述天然波，對比分析連接單元滯回耗能曲線，結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，兩種減震方案都在很大程度上消耗了地震能量，在輸入能量一定的情況下，連接單元耗能占80%以上。由于方案一提供大量抗側(cè)剛度，在罕遇地震下耗散能量優(yōu)勢較明顯，滯回曲線相對飽滿;方案二與方案一對比，方案二滯回曲線更加飽滿，消耗的地震能量也相對更多。兩種方案都有效減弱了結(jié)構(gòu)本身能量耗散比重，減小了結(jié)構(gòu)變形，提高了結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

防屈曲鋼板剪力墻作為耗能構(gòu)件，在高烈度地區(qū)對鋼結(jié)構(gòu)減震加固性能提升起著重要作用，黏滯阻尼器通過提供附加阻尼來消耗地震能量。通過本文的分析可知，兩方案耗能相差不大，可將方案一用于實際工程案例，布置時要避免結(jié)構(gòu)薄弱層出現(xiàn)，以免結(jié)構(gòu)樓層產(chǎn)生突變。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 380—2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[2]李國強，劉文洋，陸燁，等.兩邊連接屈曲約束鋼板剪力墻受力機理與等效支撐模型[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2015（4）：33-41.

[3]張敏，陳豆豆.設(shè)置非線性粘滯阻尼耗能框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析[J].廣西科技大學學報，2019（1）：19-30.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.