高層建筑中粘滯阻尼支撐布置方案探討

吳 濤，丁曉燕

（蘇州科技學院 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

高層建筑中粘滯阻尼支撐布置方案探討

吳 濤，丁曉燕

（蘇州科技學院 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011）

消能支撐結構具有良好的減震效果．通過在某28層不規則建筑的不同位置設置粘滯阻尼支撐，并運用有限元分析軟件SAP2000對其進行模態分析和非線性動力時程分析，研究了支撐位置對結構抗震性能的影響．

消能支撐；高層建筑結構；模態分析；時程分析；抗震性能

國內外研究表明，結構消能減震技術不僅能防止建筑結構整體被破壞，限制結構損傷，而且通過合理設計能滿足用戶的舒適性要求[1-3]．粘滯阻尼支撐工程減震控制技術，是通過在高層建筑結構的特定部位安裝由阻尼器等構成的消能支撐，調整結構的動力特性，使結構在地震作用下的動力反應（加速度、速度、位移）得到合理的控制．合理布置消能支撐是消能減震結構設計的關鍵，它直接影響到結構的抗震性能以及經濟合理性．本文主要研究消能支撐的位置對高層建筑抗震性能的影響．

1 工程概況

某綜合大廈（見圖1）為28層框架―筒體結構，1―6層為商場，7層以上為寫字樓．1―4層層高 4.8 m，5層以上層高3.3 m，結構總高 98.4 m．大廈平面為L形，4層以上有收進；垂直交通中心位于 L形平面的中部，由3個筒體組成；7度抗震設防，設計基本地震加速度0.10g，II類場地[4―5]．

圖1 工程立體圖

該大廈筒體位置處于建筑平面凹角處，筒體剛度大，柱列剛度小，地震時易遭受扭轉破壞，對抗震十分不利[6]．由于在兩側設置剪力墻會影響建筑平立面布置，故沿建筑物全高設置消能支撐．本研究共有 4種方案，各方案均設置112個阻尼器，如圖2所示（方案A為單斜桿式，其他為交叉形式）．

圖2 耗能支撐的布置方案

2 結構仿真分析參數

2.1 消能支撐的模擬

在SAP2000中，用Damper單元模擬粘滯阻尼支撐，粘滯阻尼單元的阻尼系數c=5.0×103kN·s/m，阻尼指數為0.3，支撐剛度k=2.0×105kN/m[7―8]．

2.2 地震波的選用

根據抗震規范，時程分析時應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于2組的實際強震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線．本算例輸入3條地震波（持續時間均為 12 s）進行時程分析，分別是：EL Centro波的南北分量，時間子步為0.02 s，沿X方向輸入；考慮雙向地震作用的唐山波東西和南北分量，時間子步為0.01 s，沿X、Y雙向輸入；人工模擬的廣州波，時間子步為0.02 s，沿X方向輸入．

3 結果與分析

3.1 模態分析

原建筑結構的剛度中心與質量中心不重合，地震時易遭受扭轉破壞．為了充分考慮扭轉對結構的影響，模態分析時取前10階振型，前6階振型的分析結果如表1所示．

表1 原結構與兩組消能支撐結構的振型信息

由表1可知，原結構第一振型主要是X方向的平動振型，并帶有Y方向的平動振型和很大的扭轉效應，這正是由于結構平面質量和剛度分布不均勻、不對稱所導致的平扭耦聯效應；由于粘滯阻尼支撐只提供阻尼，并不能提高結構的彈性剛度，因此，結構設置粘滯阻尼支撐后，周期和振型基本沒有變化．

3.2 時程分析

根據結構抗震設防要求，多遇地震作用下的地震加速度時程曲線峰值取為 35 cm/s2，罕遇地震作用下的地震加速度時程曲線峰值取為220 cm/s2．

3.2.1 多遇地震下的時程分析

通過線性時程分析，得到抗震結構在多遇地震作用下的最大層間位移如圖 3―圖 6所示，最大層間位移角及對應位置如表2所示．由于廣州波的地震響應較小，故只給出另外兩種地震波作用下的分析結果．

圖3 EL Centro多遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖4 EL Centro多遇地震波作用下的Y向最大層間位移

圖5 雙向唐山多遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖6 雙向唐山多遇地震波作用下的Y向最大層間位移

表2 多遇地震下結構的最大層間位移角及位置

由圖3―圖6及表2可以看出，設置消能支撐后，在單向多遇地震波作用下，方案A、B、D的最大層間位移和最大層間位移角均有所減小，方案C幾乎不起抗震作用；在雙向地震波作用下，幾種方案對結構的最大層間位移和最大層間位移角都未產生明顯影響．

3.2.2 罕遇地震下的時程分析

本文采用 FNA快速非線性結構動力分析法對結構在罕遇地震下的抗震性能進行分析．考慮到結構帶有阻尼非線性連接單元構件，能量的耗損比例是衡量單元效用的重要指標，因此在結構分析時，通過把阻尼和非線性單元作為時間函數來計算總輸入能量、應變能量、動能和能量損耗[8]，同時對結構的累積塑性滯回耗能進行分析．

(1)位移響應

結構最大層間位移見圖7―圖10，最大層間位移角及對應位置見表3．

圖7 EL Centro罕遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖8 EL Centro罕遇地震波作用下的Y向最大層間位移

圖9 雙向唐山罕遇地震波作用下的X向最大層間位移

圖10 雙向唐山罕遇地震波作用下的Y向最大層間位移

從圖7―圖10及表3可看出，結構在罕遇地震作用下的位移響應與多遇地震類似．單向罕遇地震作用下，方案 A、B、D的最大層間位移和最大層間位移角有所減小，在減小地震響應效果方面，X向優于Y向；方案C的效果仍然不佳，這主要是由于其平面位置的布置不利于構件消能，盡管這個位置布置的金屬屈服阻尼支撐對結構的平扭耦聯效應有一定緩解．在雙向罕遇地震波作用下，幾種方案對結構的最大層間位移和最大層間位移角都未產生明顯影響．

(2)加速度響應

從結構平面布置的特點來看，平面 L形轉角處（Z1、Z2）和偏心側角柱（Z3）在地震作用下扭轉效應較大，因此，取 Z2、Z3頂層節點加速度進行對比分析，結果見表4和表5．

表4 罕遇地震作用下Z2頂層節點加速度峰值 m/s2

表5 罕遇地震作用下Z3頂層節點加速度峰值 m/s2

由表4和表5可看出，設置了耗能支撐的結構在罕遇地震下的加速度蜂值略有減小，其中在唐山波作用下降低的幅度較大．綜合起來，方案B效果最好，不管是在雙向波還是單向波情況下，都具有較好的抗震效能；方案C在雙向波作用下的耗能效果相對突出，但在單向波作用下的耗能效果不明顯．

(3)結構累積塑性滯回耗能比較

能量指標可以較全面地體現地震對結構的破壞作用，結構的累積塑性滯回耗能越多，說明結構在地震過程中的累積損傷越大．4種耗能支撐結構在罕遇地震作用下的滯回耗能見表6．

從表6可看出，在單向EL-Centro波作用下方案A、B的耗能效果較好，方案D次之，方案C最差，方案B連接單元滯回約為方案C的6～7倍．但是，在雙向大能量唐山波的作用下，方案C的耗能效果反而突出．

4 結論

(1)消能支撐結構能夠有效衰減結構的地震反應，尤其在強烈地震波（如唐山波）作用下的耗能效果更為顯著，在高層建筑結構中具有很好的應用前景．

(2)設置粘滯阻尼后，結構的自振特性不變．

(3)支撐在結構中的布置對結構的抗震性能起著很重要的作用，而實際結構的剛度、地震波的類型和地震波峰值都會對消能支撐結構的地震反應及變化規律產生影響．因此，進行消能支撐布置時，應根據結構具體需求盡可能將消能支撐布置在結構反應較大的部位．

[1] 王亞勇，薛彥濤，歐進萍，等．北京飯店等重要建筑的消能減振抗震加固設計方法[J]．建筑結構學報，2001，22(2)：35―39．

[2] 歐進萍，吳斌，龍旭，等．北京飯店消能減振抗震加固分析與設計：時程分析法[J]．地震工程與工程振動，2001，21(4)：82―87．

[3] 周福霖，俞公驊，冼巧玲，等．多層和高層建筑結構減震控制新體系[J]．工程抗震，1994，9(3)：10―14．

[4] GB 50009—2001 建筑結構荷載規范[S]．

[5] GB 50011—2001 建筑抗震設計規范[S]．

[6] 錢稼茹．不規則高層建筑的抗震設計概念及工程實例[J]．建筑結構，1997(1)：30―32，40．

[7] 翁大根，盧著輝，徐斌，等．粘滯阻尼器力學性能試驗研究[J]．世界地震工程，2002，18(4)：30―34．

[8] 北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院．SAP2000中文版使用指南[K]．北京：人民交通出版社，2006．

〔責任編輯 張繼金〕

Effect of Position of Energy-Dissipated Braces on Earthquake Resistant Performance of High-Rise Building

WU-Tao,DING Xiao-yan
(Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215011,China)

Energy-dissipated brace has a good damping effect. The earthquake-resistant performances of one 28-storey irregular high rise building with energy-dissipated brace in different position was studied by modal analysis and nonlinear dynamic time history analysis. The affection of energy-dissipated brace position on earthquake resistant performance of buildings is analyzed and some suggestions are put forward for the correlation research.

energy-dissipated brace; high-rise building; modal analysis; time-history analysis; earthquake resistant performance

TU973+.31

A

1006-5261(2010)05-0020-04

2010-04-03

吳濤（1984―），男，河南商城人，碩士研究生．