鋼框架減震方案對比研究

陳 云

（南通藍科減震科技有限公司，南通 226000）

0 引言

近年來，在建筑業(yè)掀起了發(fā)展裝配式建筑的新浪潮。其中，裝配式混凝土建筑在工程中的應(yīng)用較為普遍，但由于其對構(gòu)件加工和現(xiàn)場施工的要求較高，并且在梁柱節(jié)點處容易發(fā)生損壞，使結(jié)構(gòu)在地震下的安全難以得到保證［1-2］。與裝配式混凝土建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)的自重較輕，現(xiàn)場采用螺栓或焊接連接，保證了施工精度，而且抗震性能更高。目前在一些地區(qū)得到大力推廣，如臨沂市發(fā)布了“關(guān)于在全市學(xué)校等公共建筑項目中推廣裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的通知”。鑒于學(xué)校等公共建筑項目為重點設(shè)防，其抗震性能應(yīng)予以高度重視，而消能減震技術(shù)的出現(xiàn)有效地保證了結(jié)構(gòu)在中震或大震下的安全。

防屈曲支撐［3～5］（buckling restrained brave，BRB）、金屬剪切阻尼器［6～8］（shear damper，SD）以及黏滯阻尼器［9～11］（visarus fluid damper，VFD）是最為常用的幾種減震產(chǎn)品。郗浩博等［12］分析了BRB在鋼框架中的應(yīng)用，結(jié)果表明BRB可有效改善扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，降低震后的結(jié)構(gòu)損傷；張新寧等［13］分析了軟鋼阻尼器在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用技術(shù)，也可取得較好的效果；朱凱盟等［14］分析了黏滯阻尼器在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，并進行了試驗分析，結(jié)果表明減震效果顯著。上述的研究大部分都是針對產(chǎn)品本身性能的研究或者單一產(chǎn)品在工程中的應(yīng)用，文獻［15］研究了混凝土框架中不同減震產(chǎn)品的減震效果，具有較好的指導(dǎo)性。鋼結(jié)構(gòu)和混凝土特性相差較大，針對鋼結(jié)構(gòu)中不同減震方案的比選研究相對較少，基于此本文以某鋼框架為例，在該結(jié)構(gòu)中分別設(shè)置BRB、SD和VFD，使減震結(jié)構(gòu)的頂部位移減震率均達到40%以上，對比分析各結(jié)構(gòu)在多遇和罕遇地震下的各項參數(shù)，為今后鋼結(jié)構(gòu)減震方案的比選提供借鑒。

1 模型建立

1.1 工程概況

該項目為某鋼框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓，共5層，建筑總高度為19.8 m，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該建筑抗震設(shè)防烈度為8度0.3g，地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.4 s。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram

1.2 地震波選取

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）［16］的要求，選取了1條人工波和2條天然波，分別為人工波RH002TG040（簡稱R1）和天然波TH028TG040（簡稱T1）、TH059TG040（簡稱T2），其頻譜特性如圖2所示，由圖可知所選地震波滿足統(tǒng)計意義相符的選波條件。

圖2 地震波加速度譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比圖Fig.2 Compariaon of seismic acceleration spectrum and standard response spectrum

1.3 阻尼器參數(shù)

為達到多遇地震下40%的位移減震率，見表1，經(jīng)多次調(diào)整和試算，得到三種阻尼器的參數(shù)，如表2-表4所示。三種阻尼器的布置位置相同，如圖3所示。

表4 黏滯阻尼器參數(shù)Table 4 VED parameters

圖3 阻尼器布置圖Fig.3 Damper layout drawing

表1 不同減震方案計算結(jié)果Table 1 Calculation results of different damping schemes

表2 BRB的參數(shù)Table 2 BRB parameters

表3 剪切阻尼器參數(shù)Table 3 Shear damper parameters

2 地震響應(yīng)對比分析

2.1 結(jié)構(gòu)周期對比

由表5可知，SD和BRB方案由于增加了一定的剛度，其周期變小。

表5 不同方案周期對比Table 5 Cycle comparison of different damping schemes s

2.2 多遇和罕遇地震下的位移響應(yīng)

圖4和圖5分別表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的位移角曲線對比結(jié)果，圖6表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的位移角減震率對比。由圖可知，多遇地震下三種方案的減震效果接近，最大位移角的減震率為45%～55%，效果顯著，罕遇地震作用下，SD和VFD的減震效果降為25%～35%，而BRB減震效果升至55%～65%。

圖4 多遇地震下層間位移角曲線Fig.4 Drift curve at frequent earthquakes

圖5 罕遇地震下層間位移角曲線Fig.5 Drift curve at rare earthquakes

圖6 多遇和罕遇地震位移減震效果對比Fig.6 Comparison of damping effect between frequent and rare earthquake

多遇地震下，三種方案減震效果接近，大震下SD和VFD接近，BRB減震效果最顯著；隨著地震強度的增加，SD和VFD減震率有所降低，SD降低較為明顯，BRB規(guī)律相反。

2.3 多遇和罕遇地震下的加速度響應(yīng)

圖7和圖8分別表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的樓層加速度響應(yīng)結(jié)果，圖9表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的加速度減振率對比。由圖可知，多遇地震下三種方案的差異很大，SD和VFD可以有效減小加速度響應(yīng)且減震率在40%左右，但是BRB相反，在-20%左右。罕遇地震作用下，三種方案均可降低加速度響應(yīng)，減震率接近，為25%左右。

圖7 多遇地震下樓層加速度響應(yīng)Fig.7 Acceleration response at frequent earthquakes

圖8 罕遇地震下樓層加速度響應(yīng)Fig.8 Acceleration response at rare earthquakes

圖9 多遇和罕遇地震加速度減震效果對比Fig.9 Comparison of acceleration effects between frequent and rare earthquake

多遇地震下，SD和VFD可以有效降低加速度響應(yīng)，BRB反之，罕遇地震下，三種方案均可降低樓層加速度響應(yīng)，其中多遇和罕遇地震下都是VFD減震效果最為顯著。隨著地震強度的增加，SD和VFD加速度減振率有所降低，SD降低較為明顯，BRB規(guī)律相反。

2.4 多遇和罕遇地震下的樓層剪力

圖10和圖11分別表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的樓層剪力結(jié)果，圖12表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的樓層剪力減振率對比。由圖可知，多遇地震下三種方案的差異較大，SD和VFD可以有效減小樓層剪力且減震率在30%左右，但是BRB相反，為-30%左右。罕遇地震作用下，三種方案均可降度樓層剪力，減振率接近，減振率在10%～20%。

圖10 多遇地震結(jié)構(gòu)樓層剪力Fig.10 Structural shear at frequent earthquakes

圖11 罕遇地震結(jié)構(gòu)樓層剪力Fig.11 Structural shear at rare earthquakes

圖12 多遇和罕遇地震樓層剪力減震效果對比Fig.12 Comparison of shear damping effects between frequent and rare earthquakes

多遇地震下，SD和VFD可以有效降低樓層剪力，BRB反之，罕遇地震下，三種方案均可降低樓層剪力。隨著地震強度的增加，SD和VFD樓層剪力減振率有所降低，VFD降低較為明顯，BRB規(guī)律相反。

2.5 多遇和罕遇地震下的框架部分剪力

圖13和圖14分別表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的框架部分剪力結(jié)果，圖15表示的是多遇和罕遇地震下不同減震方案的框架部分剪力減振率對比。由圖可知，多遇地震下三種方案的減震效果接近，減震率在30%～50%，罕遇地震作用下，三種方案減震效果差異較大，BRB的減震效果達到50%～60%，而SD和VFD僅為10%～20%。

圖13 多遇地震結(jié)構(gòu)框架部分剪力Fig.13 Shear force of frame part at frequent earthquakes

圖14 罕遇地震結(jié)構(gòu)框架部分剪力Fig.14 Shear force of frame part at rare earthquakes

圖15 多遇和罕遇地震加速度減震效果對比Fig.15 Comparison of acceleration effects between frequent and rare earthquakes

多遇地震下，三種方案減震效果接近，罕遇地震下，BRB減震效果最為明顯，SD次之，VFD減震效果最差。隨著地震強度的增加，SD和VFD樓層剪力減震率有所降低，VFD降低較為明顯，BRB規(guī)律相反。

綜上所述，多遇地震下SD和VFD可有效降低位移、加速度、樓層剪力和框架部分剪力等響應(yīng)，BRB可降低位移和框架部分剪力等響應(yīng)，對加速度、樓層剪力等響應(yīng)反而有所增加，罕遇地震下，BRB、SD和VFD對位移、加速度、樓層剪力和框架部分剪力等響應(yīng)均可降低。隨著地震強度的增加，SD和VFD的減震效果呈降低趨勢，而BRB反之。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于：小震下，VFD和SD開始耗能，而BRB僅提高剛度；大震下，BRB也進入屈服耗能，同時由于BRB的承載力較大，因為大震下減震效果顯著。

3.6 子結(jié)構(gòu)的內(nèi)力

取一榀框架為例，如圖16所示，提取三種減震方案下的子結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行比較，見圖17。從圖17（a）可以看出，BRB對框架柱的軸力影響較大，SD和VFD對柱的軸力影響較??；而在圖17（b）、（c）中，SD和VFD框架中梁、柱的彎矩大于BRB框架的彎矩。這是因為在地震作用下SD和VFD是水平受力，從而對子結(jié)構(gòu)的梁柱產(chǎn)生附加彎矩，使梁柱兩端的彎矩變大；而BRB的屈服承載力較大，在地震作用下是軸向受力，對柱產(chǎn)生較大的附加軸力，因此在采用BRB時應(yīng)注意框架柱的承載力能否滿足要求。

圖16 框架子結(jié)構(gòu)Fig.16 Frame substructure

圖17 子結(jié)構(gòu)梁柱內(nèi)力Fig.17 Force of sub-structure beam and column

4 結(jié)論

（1）在多遇地震下，SD和VFD均可有效降低層間位移角、樓層加速度、樓層剪力及框架剪力，但隨著地震強度的增加，兩者的減震效果均有所下降；

（2）BRB在多遇地震下，會放大樓層加速度和樓層剪力，但可有效降低位移角和框架部分地震作用，在罕遇地震下各項地震響應(yīng)參數(shù)均減小，其中對位移角和框架剪力的改善尤為明顯；

（3）不同減震方案對子結(jié)構(gòu)的受力影響較大，SD和VFD對梁柱產(chǎn)生了附加彎矩，BRB不產(chǎn)生附加彎矩，但會增大框架柱所受軸力，因此在采用BRB時，應(yīng)確保子結(jié)構(gòu)中框架柱的安全性。