基于消能減震技術(shù)的高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能研究

馬納靜 賈振睿

1. 天津市建筑工程職工大學(xué) 天津 300000 2. 天津群峰環(huán)?？萍加邢薰?天津 300000

1 消能減震技術(shù)概述

以往所使用的抗震設(shè)計(jì)模式是利用高層框剪力墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度被動的將地震能量進(jìn)行抵消，而效能減震技術(shù)與傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)模式相比可以進(jìn)一步保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)在城市不斷發(fā)展的過程中，將消能減震技術(shù)應(yīng)用到高層建筑中可以對框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行優(yōu)化且可以更好的體現(xiàn)出高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。消能器產(chǎn)品不同耗能機(jī)理也不相同，消能器主要包括速度相關(guān)型消能器、位移相關(guān)型消能器等，同時(shí)在使用時(shí)還應(yīng)與建筑結(jié)構(gòu)高度、結(jié)構(gòu)體系等方面進(jìn)行結(jié)合，不同種類的消能器應(yīng)用到不同的工程中均得到了良好的效果。位移相關(guān)型消能器主要包括鉛消能器、摩擦消能器、屈曲約束支撐及軟鋼剪切消能器等。速度型消能器主要以黏滯材料為主，產(chǎn)品包括黏滯阻尼器與黏滯阻尼墻。其中黏滯阻尼器并不會提升結(jié)構(gòu)剛度且會縮短應(yīng)用周期，但是可以提供附加阻尼耗能并可以將結(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行控制。

消能減震技術(shù)在應(yīng)用后不僅可以保證減震器的使用效果同時(shí)可以得到良好的經(jīng)濟(jì)性。隨著對設(shè)計(jì)精度、效率要求的不斷提升在與速度型阻尼器結(jié)合使用后大變形能效果稍差于小變形能效果，但是應(yīng)用位移型阻尼器后可以得到良好的小變形耗能效果，現(xiàn)在一些建筑工程在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)會采用組合消能減震技術(shù)。比如在進(jìn)行某會展中心項(xiàng)目建設(shè)時(shí)就采用了三種消能器，包括軟鋼耗能連梁消能器、屈曲約束支撐消能器、黏滯阻尼伸臂桁架消能器。某商業(yè)中心項(xiàng)目建設(shè)與伸臂桁架結(jié)合進(jìn)行了布置并采用了屈曲約束支撐伸臂與黏滯阻尼伸臂；在某超高層建筑工程中采用了組合消能減震方案，在應(yīng)用后不僅得到了良好的應(yīng)用效果同時(shí)提升了建筑的經(jīng)濟(jì)性，但是此類組合減震方案多被應(yīng)用到超高層建筑結(jié)構(gòu)中并不適合應(yīng)用到中底層建筑中[1]。

2 高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍

在了解高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后可知該結(jié)構(gòu)多被應(yīng)用到高層建筑或是地下停車場中，主要是因?yàn)榻ㄖ叵聦有枰目臻g較大且可以為建筑商業(yè)活動提供便利。如某高層建筑中地上建筑為四層，主要開展相應(yīng)的商業(yè)活動，這樣的情況下就需要將第4層作為轉(zhuǎn)換層且需要該層具有較大的活動空間。

現(xiàn)階段所使用的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)包括梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)、箱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)等，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)種類較多，因此在進(jìn)行選擇時(shí)需要設(shè)計(jì)人員與工程實(shí)際情況結(jié)合，進(jìn)而保證墻體可以均勻受力。其中，厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到7、8度抗震設(shè)計(jì)地下室轉(zhuǎn)換層構(gòu)件中或是6度及非抗震設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件中。若建筑轉(zhuǎn)換層位置較高并不會給抗震帶來益處，因此一部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)會設(shè)置到地面以上的轉(zhuǎn)換層中，通常不會使用9度；超過三層高度不宜使用8度；超過5層高度不宜使用7度；當(dāng)6度時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提升，但是即使是適當(dāng)提升也應(yīng)與工程實(shí)際情況結(jié)合，如果有必要需要先得到施工圖紙審核單位同意或是對抗震超限進(jìn)行審查；如果沒有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)提高不得超過6層。此類墻體結(jié)構(gòu)比較容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)情況，因此要想將以上問題進(jìn)行控制設(shè)計(jì)人員需要在進(jìn)行平面設(shè)計(jì)時(shí)確保剛心可以與質(zhì)心接近。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中根據(jù)高層建筑底部設(shè)計(jì)要求科學(xué)設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)并優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)換梁及框支柱的位置，保證結(jié)構(gòu)的科學(xué)性與合理性。此外，在了解高層建筑基本形態(tài)后應(yīng)認(rèn)識到墻體結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)的重要性并在設(shè)計(jì)前做好全面與精準(zhǔn)的計(jì)算、測試工作，最終確保結(jié)算結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性并保證可信度。了解現(xiàn)階段高層建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與要求后，要想進(jìn)一步滿足標(biāo)準(zhǔn)與要求應(yīng)嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層上下部分剛度，避免轉(zhuǎn)換層上下部剛度與強(qiáng)度出現(xiàn)偏差；當(dāng)上部分剛度較大而下部分剛度較弱時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷增加下部剛度，同時(shí)將上部剛度進(jìn)行控制，從而保證轉(zhuǎn)換層上下部剛度相近，更好的滿足高層建筑建筑標(biāo)準(zhǔn)與要求[2]。

3 構(gòu)建高層框支剪力墻消能減震結(jié)構(gòu)模型

3.1 計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)模型阻尼器參數(shù)

進(jìn)行阻尼器相關(guān)參數(shù)初步確定時(shí)可以采用整體阻尼比估算公式與消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)阻尼器提供給結(jié)構(gòu)有效阻尼比為ξa=11%時(shí)，黏滯阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)：阻尼系數(shù)=1300kN/(m/s)；阻尼指數(shù)=0.4；最大阻尼力=700kN；最大結(jié)構(gòu)位移±20mm。了解屈曲約束支撐型號后科學(xué)進(jìn)行型號算賬并確定屈曲約束支撐參數(shù)：極限承載力P0=1100kN；屈服承載Py=850kN。屈服后剛度比為0.03，屈服指數(shù)為4，有效剛度為7.8×105kN/m，芯材以Q235為主。

3.2 模擬阻尼器模型數(shù)值

阻尼器種類不同給高層框支剪力結(jié)構(gòu)減震性能所帶來的影響也不相同，主要構(gòu)建了結(jié)構(gòu)原模型與兩種消能減震模型。首先模型1?？梢詫枘崞鞑贾玫较鄳?yīng)的速度型消能器中；第二，模型2。將屈曲約束支撐布置到相應(yīng)的位移型消能器中。了解有限元分析ETABS中文版使用指南中的內(nèi)容與方法后可以將連接單元模擬阻尼器利用ETABS有限元軟件進(jìn)行分析，其中模型1采用非線性Link(Damper)單元模擬；模型2通常用非線性Plastic(Wen)單元模擬。

3.3 合理布置阻尼器

將阻尼器布置到兩個(gè)模型框支層中，可以采用單向斜撐布置方式。要想更好的體現(xiàn)出所使用阻尼器的減震效果將模型1與模型2阻尼器布置到相同位置[3]。

4 合理選擇模型時(shí)程對地震波進(jìn)行分析

高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定中明確指出，地震波整體持續(xù)時(shí)間不得比建筑結(jié)構(gòu)基本自振周期小5倍與15s，地震波時(shí)間間隔選取時(shí)以0.01s或0.02s為主。在綜合考慮地震動三要素后與工程實(shí)際條件結(jié)合后合理科學(xué)選擇天然地震波與人工地震波。其中天然波一中加速峰值=277.6cm/s2，時(shí)間間隔與持續(xù)時(shí)間分別為0.02s、20s；天然波二中加速峰值=531.7cm/s2，時(shí)間間隔與持續(xù)時(shí)間分別為0.02s、20s。人工波中加速峰值=100cm/s2，時(shí)間間隔與持續(xù)時(shí)間分別為0.02s、20s。

5 消能減震設(shè)計(jì)

5.1 合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)過程時(shí)應(yīng)關(guān)注以下方面：在明確設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上對減震設(shè)計(jì)中阻尼比進(jìn)行確定并保證所選擇的阻尼參數(shù)的科學(xué)性，最終確定阻尼器型號與安裝位置。進(jìn)行多遇地震計(jì)算分析時(shí)可以采用有限元計(jì)算分析軟件，從而保證阻尼器滿足結(jié)構(gòu)要求，應(yīng)用時(shí)程均值完成配筋模型計(jì)算并應(yīng)用兩種軟件的包絡(luò)設(shè)計(jì)值作為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算罕遇地震值時(shí)應(yīng)充分做好位移計(jì)算并合理調(diào)整承載能力極限狀態(tài)。

5.2 確定結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)先保證結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)目標(biāo)的準(zhǔn)確性，在確定結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行平衡，從而保證結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)滿足要求。結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)目標(biāo)確定后應(yīng)確保其與常規(guī)設(shè)計(jì)要求相符并可以控制消能器的使用量[4]。

5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

5.3.1 構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型

在了解建筑條件后，根據(jù)以往所使用的設(shè)計(jì)方法完成軟件結(jié)構(gòu)計(jì)算，從而保證模型中的各項(xiàng)指標(biāo)與規(guī)范要求相符?？梢詫⒁呀?jīng)構(gòu)建好的YJK模型或是PKPM模型導(dǎo)入到ETABS模型中并利用膜單元進(jìn)行樓板模擬，在對比質(zhì)量、周期、振型分解反應(yīng)譜法下層剪力、層間位移、層間位移角時(shí)可以應(yīng)用ETABS模型、YJK模型或是PKPM模型所建立的非減震結(jié)構(gòu)模型完成計(jì)算。工程兩者結(jié)構(gòu)間的差控制在1.551%至3.546%之間，將計(jì)算結(jié)果差異控制在最小，進(jìn)而保證兩種軟件計(jì)算模型基本是相同的。此步驟只可以對兩種軟件計(jì)算差異值進(jìn)行驗(yàn)證，可以相互通用。

5.3.2 保證附加阻尼比的準(zhǔn)確性

在GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）中規(guī)定消能減震結(jié)構(gòu)中的總阻尼比是結(jié)構(gòu)阻尼比與效能構(gòu)建附加給結(jié)構(gòu)的有效總阻尼比的和。試算時(shí)可以采用YJK模型與PKPM軟件，首先應(yīng)先對目前結(jié)構(gòu)所達(dá)到的目標(biāo)位移值進(jìn)行估算，先確定總阻尼比然后再使用總阻尼比減去結(jié)構(gòu)阻尼比，最終得到結(jié)果要素需要的附加阻尼比，對附加阻尼比核對計(jì)算時(shí)可以使用ETABS軟件。采用YJK模型完成工程過程中的試算，當(dāng)?shù)玫綔p震目標(biāo)位移值時(shí)阻尼設(shè)定在7%，附加阻尼比為2%。

5.3.3 阻尼器數(shù)量與參數(shù)確定并做好安裝工作

通過附加阻尼比與經(jīng)驗(yàn)、建筑平面布置情況先假定阻尼器設(shè)置位置，試算時(shí)采用連接單元將阻尼器帶入到ETABS模型中，要想更好的滿足附加阻尼比要求應(yīng)對連接單元參數(shù)、阻尼器安裝位置及安裝數(shù)量進(jìn)行不斷調(diào)節(jié)，從而保證連接單元參數(shù)滿足所選擇阻尼器產(chǎn)品的要求，最終得到所使用阻尼器的阻尼系數(shù)與指數(shù)并最終確定阻尼器安裝數(shù)量。確定阻尼器安裝位置：樓板平面位置安裝阻尼器時(shí)應(yīng)落實(shí)均勻性原則、分散性原則及對稱性原則，從而對地震時(shí)集中應(yīng)力進(jìn)行削弱并對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行平衡。根據(jù)非減震設(shè)計(jì)模型計(jì)算后所得到的最大層間位移角系數(shù)完成阻尼器豎向設(shè)置。然后再安裝一個(gè)阻尼器模型并利用有限元分析完成最大層間位移角設(shè)定，然后再進(jìn)行阻尼器安裝，這樣進(jìn)行循環(huán)最終完成豎向阻尼器設(shè)置。但是在進(jìn)行阻尼器安裝時(shí)不得將其固定到一個(gè)層面，保證豎向安裝的均勻性。一般會采用懸臂墻黏滯阻尼器，減少給建筑結(jié)構(gòu)功能所帶來的影響。

5.3.4 構(gòu)建有限元模型并合理選擇地震波，分析小震彈性時(shí)長

ETABS中的黏滯阻尼器模擬時(shí)可以采用連接單元并保證準(zhǔn)確性，選擇與要求相符的兩條人工波與五條天然波并分析小震彈性時(shí)長。對比內(nèi)力結(jié)構(gòu)與未使用減震技術(shù)時(shí)結(jié)構(gòu)且可以將最核心內(nèi)容進(jìn)行應(yīng)用，保證對比結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

5.3.5 分析建筑結(jié)構(gòu)大震彈塑性

減震結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析時(shí)可以應(yīng)用SAP2000軟件，從而分析高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)塑性變形特點(diǎn)及阻尼器在加大地震災(zāi)害時(shí)的優(yōu)勢。SAP2000軟件中可以使用連接單元damper模擬黏滯阻尼器定義主體結(jié)構(gòu)框架梁與柱。分析彈塑性時(shí)程時(shí)可以選擇三條地震波進(jìn)行計(jì)算并取三條地震波的包絡(luò)值。大地震來臨時(shí)X方向減震結(jié)構(gòu)層間位移角為1/260，未采用減震結(jié)構(gòu)為1/155；Y方向減震結(jié)構(gòu)層間位移角為1/250，未采用減震結(jié)構(gòu)為1/184。

5.4 對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并提高建筑抗震性能

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)豎向縫隙連接時(shí)相關(guān)人員應(yīng)進(jìn)行靜力試驗(yàn)，通過試驗(yàn)可以得到建筑結(jié)構(gòu)滯回曲線，再完成剛度變化、退化及耗能等方面的分析，最終得到建筑工程整體結(jié)構(gòu)型鋼剪力墻組合結(jié)構(gòu)的抗震性能及運(yùn)行性能。評估建筑結(jié)構(gòu)抗震性能時(shí)還可以分析整體框架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性，采用此種方式可以逐漸提升建筑結(jié)構(gòu)模型地震受力水平并保證模型效率，同時(shí)對比高性能建筑框架結(jié)構(gòu)與普通水泥框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過分析可知在保證高性能建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果時(shí)其抗震性能與普通混凝土框架結(jié)構(gòu)相符。對一部分型鋼混凝土實(shí)心柱與空心柱進(jìn)行分析時(shí)可知，采用靜力試驗(yàn)可以對不同柱體抗震性能進(jìn)行研究，研究不同參數(shù)變量對耗能及變形能力的不同影響。疊合板厚度不同抗震能力也不相同，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比抗震性能的影響可能更大，疊合板節(jié)點(diǎn)變形情況、開裂情況、承載能力、屈服位移等比較接近現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，有一部分的承載能力會更高一些。相關(guān)研究人員對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與冷彎薄壁型鋼填充墻板進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)在此種框架結(jié)構(gòu)中，通常當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞情況時(shí)多是由柱體受壓碎裂所導(dǎo)致的，最終導(dǎo)致此處位置產(chǎn)生鋼筋屈服問題。同時(shí)軸壓與冷彎薄壁型鋼填充墻板被破壞有一定的關(guān)系，軸壓比值增加此處結(jié)構(gòu)剛度就越小。要想控制因剛度過小所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞問題可以使用聚合填充材料提升結(jié)構(gòu)剛度并提高結(jié)構(gòu)抗剪能力，且在墻板增厚同時(shí)可以增加框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力與抗剪力[5]。

6 結(jié)語

將消能減震技術(shù)應(yīng)用到高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，要想得到良好的應(yīng)用效果可以對各類型阻尼器給高層框支剪力墻抗震性能所帶來的影響進(jìn)行分析?？芍Ｐ?與模型2結(jié)構(gòu)比原有結(jié)構(gòu)抗震效果更好。模型2可以很好的控制框支剪力墻結(jié)構(gòu)樓層位移情況，保證其在19.28%與38.23%之間。模型1可以很好的控制框支剪力墻基地剪力，保證其在9.19%與14.83%之間?？梢娔Ｐ?耗能比與模型1好。可見采用消能減震技術(shù)后可以提升高層建筑的抗震性能。