多遇地震下框架結構減震方案對比

摘 要：在消能減震結構中，屈曲約束支撐是現在市場比較常用的消能構件，而粘滯阻尼墻是近年才在我國開始使用的消能減震構件。在以5層的框架結構算例中分別使用粘滯阻尼墻（VDW）、屈曲約束支撐（BRB）以及（VDW+BRB）組合進行減震設計，在多遇地震下，（VDW+BRB）方案的減震效果最好，能有效減小上部結構響應，大大提高建筑結構的抗震安全性。

關鍵詞：消能減震；屈曲約束支撐；粘滯阻尼墻

中圖分類號：TU352 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0048-03結構消能減震體系，就是把結構物的某些非承重構件（如支撐、剪力墻、連接件等）設計成消能構件，或在結構的某些部位（層間空間、節點）裝設消能裝置。當發生地震時，隨著結構側向變形的增大，消能構件或消能裝置率先進入非彈性狀態，提供較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，從而保護主體結構及構件在地震中免遭嚴重破壞，確保結構安全。

1 粘滯阻尼墻

粘滯阻尼墻（Viscous Damping Wall，以下簡稱VDW）是一種用于建筑結構的耗能減震器，VD墻的基本構造如圖1所示。它主要由懸掛在上層樓面的內鋼板、固定在下層樓面的兩塊外鋼板、內外鋼板之間的高粘度粘滯液體組成。地震時上下樓層產生相對速度，從而使得上層內鋼板在下層外鋼板之間的粘滯液體中運動，產生阻尼力，吸收地震能量，減小地震反應。

2 屈曲約束支撐

屈曲約束支撐是一種受壓時不會發生屈曲失穩的軸心受力構件。這是一種在受拉和受壓情況下都能達到屈服的消能支撐構件，改善傳統支撐在受壓時發生屈曲的缺點， 提高結構的抗震性能。使用此屈曲約束支撐的框架體系， 不僅具有良好的抗側性能， 而且提高了結構的韌性和抗震性能。屈曲約束支撐在進入塑性狀態后可以消耗大量的能量， 將結構的振動能量轉化為熱能消散掉， 從而起到降低結構動力反應的目的。

粘滯阻尼墻因其性能穩定、概念清晰而且造價相對較低，在結構上設置非結構耗能元件可以提高結構抗震性能已經得到工程界廣泛認可。在各種消能減振裝置中粘滯阻尼墻作為速度相關性耗能裝置由于其優越的性能，在國內外應用廣泛。粘滯阻尼墻厚度薄，出力大，容易滿足建筑設計對阻尼器尺寸方面的要求。

屈曲約束支撐因其自重輕、布置靈活和安裝方便等方面體現出較好的優越性，屈曲約束支撐與框架組成的結構體系表現出極佳的承載能力和耗能性能。

3 減震裝置的力學模型

粘滯阻尼墻是屬于速度型阻尼器，其阻尼力取決于速度，粘滯阻尼器的阻尼力與相對變形的速度關系，可表達為：

F=C×Va

式中：F為阻尼力；C為阻尼系數；V為速度；a為速度指數。（取值范圍在0.1～2.0，從抗震角度看，常用值一般在0.2～1.0范圍內）。

粘滯阻尼器常用Maxwell模型模擬，由彈簧和阻尼器兩部分組成，其力學模型如圖2所示。

對于純阻尼器，只要使K足夠大，就可以忽略彈簧的影響。

屈曲約束支撐屬于位移型阻尼器，其耗能作用是通過鋼芯屈服后的塑性變形來實現，恢復力大小與屈服后剛度和最大塑性變形（或消耗能量）有關，強度表現不因低周往復或位移增大而出現明顯的退化現象。由其滯回曲線可知，能采用簡化的雙線性力學模型模擬，并能取得較好的模擬效果（如圖3所示）。

4 計算模型及減震方案

4.1 計算模型

以某5層框架結構為工程背景，該結構建筑面積為

19 498 m2，首層層高為6 m，其余層高為4 m，長寬比為2.7，高寬比為2.7。工程所在地區抗震設防烈度為8 ？觷，設計地震分組為第三組，基本加速度為0.20 g，場地特征周期0.65，第1、2平動周期為0.7717 s（X向），0.7476 s（Y向），第一扭轉周期為0.6861 s。由于結構平動周期與場地周期接近，根據建筑功能要求，考慮建筑抗震安全性，結構采用減震控制技術。

抗震分析中采用sap2 000對結構進行整體建模，采用空間桿單元模擬梁、柱，用damper單元模擬阻尼墻，用multilinear plastic單元模擬屈曲約束支撐（如圖4所示）。

根據中國《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）第3.8.2條，采用消能減震設計的建筑，其抗震設防目標應高于普通建筑。該建筑的抗震設防目標為：設置阻尼器的減震結構，當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需進行修理可繼續使用，其結構目標位移角限值由限值1/550變至1/800。

本工程選用的是市面上常用的粘滯阻尼墻為VDF-NL×1 700×80，粘滯阻尼器不附加結構剛度，僅提供結構附加阻尼（見表1）。

本工程采用的同樣是市面上常用的屈曲約束支撐BRB為鉸接雙槽鋼屈曲約束支撐（JK-PDBRB），其力學模型參數見表2。

多遇地震反應分析中，地震波峰值為70 Gal，采用5條地震波作為輸入波，分別為：分別為1940年El Centro-lmp Vall lrr地區的El Centro成分波（簡寫El-NS）、1976年唐山地震余震天津醫院記錄（簡寫TJ-EW）、1994年美國NORTHRIDGE 地震Taft記錄（簡寫Tf-NS）、1995年神戶地震時的八戶波（簡寫Ha-EW）和2008年10月5日7.0級地震的新疆喀什臺站地震記錄（KS-EW），這里把其中2條地震記錄時程曲線列出（如圖5所示）：

4.2 減震方案

根據建筑使用功能條件提出了如下3種減震技術方案：

①只布置粘滯阻尼墻—（VDW）方案；

②只布置屈曲約束支撐—（BRB）方案；

③同時布置粘滯阻尼墻和屈曲約束支撐—（VDW+BRB）方案（見表3）。

5 減震效果分析

在結構地震反應分析中，對非減震，減震（阻尼墻），減震（屈曲約束支撐）和減震（阻尼墻+屈曲約束支撐）四種結構在5種工況下的層剪力、層間位移角倒數以及層加速度結構的平均數進行對比（如圖6、圖7、圖8所示）。

由上述圖表可知，三種不同減震方案對結構的減震影響均能達到不同效果，其中以（VDW+BRB）方案的減震效果最明顯，各層層剪力平均減震率達到X向36.9%、Y向32.5%，而（VDW）方案和（BRB）方案的層剪力平均減震率分別為X向25%、18.2%和Y向26.8%、7.7%。

而（VDW+BRB）方案與非減震結構的層間位移角之比為X向50.5%～67.4%，Y向45%～62.05%，而（VDW）方案為X向54.1%～78.2%、Y向49.4%～74.63%，（BRB）方案為X向71.8%～87.7%，Y向81.7%～89.4%。由此可見，（VDW+BRB）方案層間位移角更小，且滿足我國《建筑抗震設計規范》不大于1/550的性能要求。

由層加速度可知，（VDW+BRB）方案和（VDW）方案的層加速度平均值較為接近，X、Y向均能較好削弱結構的層加速度21%～25%，而（BRB）方案幾乎沒起到削弱層加速度的效果，其在首層的層加速度更是出現了微小的負增加。

6 結 論

①在多遇地震下對結構采取的三種減震方案中，（VDW+BRB）方案的減震效果最好，其次是（VDW+BRB）方案，（BRB）方案的減震效果相對較差。

②三種減震方案均能在一定程度上降低結構的地震反應，但是（BRB）方案并沒有取得減少結構層加速度的效果，粘滯阻尼墻則能在層剪力、層間位移角和層加速度三個方面都取得較好的減震效果。

綜合來說，在多遇地震下，粘滯阻尼墻對此框架結構而言是較理想的減震裝置，粘滯阻尼墻與屈曲約束支撐的組合使用更是能達到更好的減震效果。

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