二次地震作用下RC 框架-阻尼器結(jié)構(gòu)減震性能分析

高卉

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

中國(guó)作為地震頻發(fā)的國(guó)家，多年來(lái)深受地震災(zāi)害影響。大量地震相關(guān)資料表明，絕大多數(shù)情況下，發(fā)生一次較強(qiáng)的地震前后，往往會(huì)發(fā)生一系列地震，即孤立型地震發(fā)生概率較小，僅占14%。在經(jīng)歷一次較大地震后，建筑物結(jié)構(gòu)為非線性，剛度、強(qiáng)度均會(huì)有不同程度的降低，而再次經(jīng)受震害時(shí)，便較為危險(xiǎn)。

早期學(xué)者吳波等[1]針對(duì)主余震作用下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，提出分析其變形、耗能和損傷的方法。馬駿馳等[2]、杜云霞等[3]使用靜力彈塑性分析（Push-over）結(jié)合靜力往復(fù)加載分析的方法，表明二次地震對(duì)建筑物的累積破壞現(xiàn)象明顯。王洪濤等[4]對(duì)比分析某多層普通RC 框架結(jié)構(gòu)以及設(shè)置屈曲約束支撐的RC 框架結(jié)構(gòu)初次地震作用和后續(xù)二次地震作用下的位移反應(yīng)，表明合理使用屈曲約束支撐可改善RC 框架結(jié)構(gòu)的抗震能力。

目前，包括中國(guó)在內(nèi)的絕大多數(shù)國(guó)家制定的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范僅針對(duì)單次地震，但在此設(shè)計(jì)規(guī)范的使用年限內(nèi)有可能遭遇不止一次地震。多次地震會(huì)產(chǎn)生累積損傷效應(yīng)，僅考慮一次地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響是不完備不安全的，而目前針對(duì)二次地震對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震影響的研究還比較少，如何在現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[5]基礎(chǔ)上再考慮二次地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。為此，本文將某多層RC 框架結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件SAP2000 對(duì)RC 框架減震結(jié)構(gòu)在二次地震作用下的抗震性能進(jìn)行分析，并討論二次地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

1 消能減震結(jié)構(gòu)與消能器的選擇

1.1 消能減震結(jié)構(gòu)

20 世紀(jì)70 年代初，美國(guó)學(xué)者YAO 首次將振動(dòng)控制理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，提出了消能減震的概念[6]。消能減震結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)某些部位通過(guò)附加消能裝置與原結(jié)構(gòu)形成一個(gè)新體系，其動(dòng)力特性和消能能力相對(duì)原結(jié)構(gòu)有較大改變，附加的消能減震裝置大量消耗地震輸入的能量，使得原結(jié)構(gòu)承受的地震作用顯著減小，以降低主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達(dá)到消能減震的目的。

1.2 消能器的選擇

消能器又稱阻尼器，是建筑工程中常用的減震裝置。依據(jù)其自身功能可分為速度型阻尼器和位移型阻尼器2 類。速度型阻尼器包括黏滯阻尼器、粘彈性阻尼器等，位移型阻尼器包括金屬阻尼器、屈曲約束支撐及摩擦阻尼器等。

消能器的選擇應(yīng)考慮減震目標(biāo)，本文基于減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和變形、減小結(jié)構(gòu)承受的地震力這一目的，選擇增設(shè)黏滯阻尼器。黏滯阻尼器是較為常用的速度型阻尼器，其所具備的優(yōu)點(diǎn)是阻尼力可以根據(jù)不同水準(zhǔn)震動(dòng)下的變形提供耗能作用，耗能能力強(qiáng)、效率高、性能穩(wěn)定，而且不改變結(jié)構(gòu)的震動(dòng)頻率特性。作為中國(guó)應(yīng)用黏滯阻尼器最高的建筑——江蘇省百年財(cái)富中心，其總共安裝了40 個(gè)筒式黏滯消能器，可有效地控制附屬結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)及主結(jié)構(gòu)的風(fēng)振。

2 工程概況

本文以河南省鄭州市某RC 框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓為研究對(duì)象，地上4 層，結(jié)構(gòu)平面布置較為規(guī)則。該建筑設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。設(shè)計(jì)地震第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.4 s。

3 有限元模型的建立

基于SAP2000 有限元分析軟件建立該RC 框架結(jié)構(gòu)分析模型。該結(jié)構(gòu)有小部分懸挑，外觀呈階梯狀。1—4 層層高分別為3.6 m、3.8 m、3.6 m、3.6 m。受力鋼筋采用HRB335 級(jí)鋼筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。

本模型選擇增設(shè)非線性黏滯阻尼器，阻尼指數(shù)α=0.3。黏滯阻尼器沿結(jié)構(gòu)的2 個(gè)主軸方向分別設(shè)置，黏滯阻尼器與主體結(jié)構(gòu)的連接為斜撐形和人字形，斜撐形布置了14 個(gè)，人字形布置了5 個(gè)。結(jié)構(gòu)三維布置如圖1 所示。

圖1 采用SAP2000 建立的三維結(jié)構(gòu)有限元模型圖

4 結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析也被稱為振型疊加法動(dòng)力分析，是地震分析中最常用而且最有效的方法。使用SAP2000 有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析可以快速得到結(jié)構(gòu)基本性能參數(shù)、各階振型的周期及質(zhì)量參與系數(shù)，同時(shí)模態(tài)分析也是時(shí)程分析等動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中的要求，本文結(jié)構(gòu)模型前12 階累計(jì)質(zhì)量系數(shù)為SUM（UX）=92.7%＞90%，SUM（UX）=92.8%＞90%，符合規(guī)范的規(guī)定。結(jié)構(gòu)自振周期、頻率如表1 所示，由表1 可知，抗震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)前十二階周期頻率基本相同，這是因?yàn)轲枘崞鲀H為結(jié)構(gòu)提供阻尼，而不提供附加剛度。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期、頻率

表1 （續(xù)）

4.2 時(shí)程分析

4.2.1 地震波的選取與構(gòu)造

依照中國(guó)規(guī)范選取2 條天然波和1 條人工波，分別為EL-centro 波、CPC 波和人工波。因篇幅有限，僅取適合Ⅱ類場(chǎng)地的典型天然波EL-centro 波為例進(jìn)行分析。一次地震工況下持時(shí)取30 s，將該地震波的實(shí)際地震動(dòng)記錄的加速度峰值折算為多遇地震時(shí)程分析下的地震最大加速度55 cm/s2。二次地震工況下持時(shí)取90 s，通過(guò)將EL-centro 波調(diào)幅為設(shè)防地震下的地震最大加速度150 cm/s2后重復(fù)輸入，把其看作一條持時(shí)延長(zhǎng)的地震波，構(gòu)造二次地震波所需的“多遇+設(shè)防”工況。為使結(jié)構(gòu)面臨二次地震作用可以保持平衡狀態(tài)，在2 條地震波之間加30 s 空載。二次地震動(dòng)時(shí)程曲線如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析采用的二次地震動(dòng)加速度時(shí)程

4.2.2 層間位移數(shù)據(jù)對(duì)比

為便于闡述，將一次地震作用下的抗震結(jié)構(gòu)記為模型一；將二次地震作用下的抗震結(jié)構(gòu)記為模型二；在模型二中增設(shè)黏滯阻尼器，利用Damper 單元模擬阻尼器，記為模型三。這里地震工況只用于分析一次地震或二次地震作用下X方向的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

X向地震波作用下層間位移如圖3 所示。由模型二和模型一得知，當(dāng)二次地震作用的強(qiáng)度大于一次地震作用強(qiáng)度時(shí)，整體上二次地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移明顯增加，增幅為2.75～2.90 倍；由模型三和模型二得知，在同樣二次地震作用下，相對(duì)于普通RC 框架結(jié)構(gòu)，在原框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)黏滯阻尼器的減震結(jié)構(gòu)可以使層間位移地震響應(yīng)值大幅度減少，X向?qū)娱g位移最大減少58.3%，且減小率比較均勻，從而達(dá)到較好的減震效果。

圖3 X 向地震波作用下層間位移

4.2.3 層間剪力數(shù)據(jù)對(duì)比

X向地震波作用下層間剪力如圖4 所示。由模型二和模型一得知，整體上二次地震作用下結(jié)構(gòu)的層間剪力明顯增加；對(duì)比模型三和模型二得知，由二次地震作用下水平計(jì)算的結(jié)果可以得出，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。普通RC 框架結(jié)構(gòu)經(jīng)合理設(shè)置黏滯阻尼器后能較大幅度減小層間剪力，二次地震作用下X向的層間位移減小率為17.36%～54.00%。

圖4 X 向地震波作用下層間剪力

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)4 層RC 框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，討論了3種模型在各種工況下的動(dòng)力特性和地震反應(yīng)對(duì)比，得到以下結(jié)論：增設(shè)黏滯阻尼器的RC 框架結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)周期頻率基本沒(méi)有變化，這是因?yàn)轲枘崞鲗儆谒俣刃妥枘崞鳎惶峁╊~外剛度；隨著二次地震作用強(qiáng)度增大，對(duì)結(jié)構(gòu)影響程度十分明顯，模型二的最大層間位移整體上高于一次地震的值，增幅為2.75～2.90 倍。因此，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，只針對(duì)一次地震作用是不完善的，建議按實(shí)際考慮二次地震作用的情況；二次地震作用下，通過(guò)對(duì)無(wú)控結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)的對(duì)比，RC 框架結(jié)構(gòu)增設(shè)黏滯阻尼器后能有效控制層間位移和層間剪力，最大降低幅度分別可達(dá)到58.30%和54.00%。