高烈度區(qū)彈塑性軟鋼阻尼墻的減震設(shè)計研究

李文化

(浙江東都建筑設(shè)計研究院，浙江杭州 310007)

在地震高烈度區(qū)建造高層建筑采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法難度較大，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面過大、配筋過多，材料花費(fèi)較多，工程造價大幅度提高，而且由于需要布置較多的抗震墻使得建筑物的使用功能受到限制，另外結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、配筋增大后，結(jié)構(gòu)剛度將大幅度增加，結(jié)構(gòu)在地震中吸收的地震能量也將大幅度增加，這些地震能量將主要由結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形來耗散，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在大震中損壞嚴(yán)重，對結(jié)構(gòu)的安全不利。以既定的“設(shè)防烈度”作為設(shè)計依據(jù)，當(dāng)發(fā)生超烈度地震時，房屋可能會嚴(yán)重破壞，并且由于地震的隨機(jī)性，建筑結(jié)構(gòu)的破損程度及倒塌可能性難以控制［1-3］。基于以上傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法的不利因素，減震技術(shù)逐漸在高烈度區(qū)建造高層建筑中被推廣和應(yīng)用，并取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

地震發(fā)生時結(jié)構(gòu)物吸收了大量的地震能量，必然要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換或消耗才能最后終止振動反應(yīng)。結(jié)構(gòu)消能減震體系，就是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件(如支撐、剪力墻、連接件等)設(shè)計成消能構(gòu)件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位(層間空間、節(jié)點、聯(lián)結(jié)縫等)裝設(shè)消能裝置［4，5］。在風(fēng)或小地震時，這些消能構(gòu)件或者消能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)物仍具有足夠的側(cè)向剛度以滿足使用要求。當(dāng)發(fā)生中、強(qiáng)地震時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能構(gòu)件或消能裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，提供較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強(qiáng)震中免遭嚴(yán)重破壞，確保結(jié)構(gòu)安全。由于消能部件給結(jié)構(gòu)附加了阻尼，所以結(jié)構(gòu)的等效阻尼比會增加，圖1繪出了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的不同阻尼比情況下的地震影響系數(shù)曲線，圖中顯示隨著阻尼比的增大，地震影響系數(shù)曲線下降，結(jié)構(gòu)地震作用下降。

圖1 地震影響系數(shù)曲線

對于減震結(jié)構(gòu)，新規(guī)范只有如下的原則規(guī)定:“采用減震或消能減震設(shè)計的建筑，當(dāng)遭遇到本地區(qū)的多遇地震影響、抗震設(shè)防烈度地震影響和罕遇地震影響時，其抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于本規(guī)范第1.0.1條的規(guī)定”［6］。這里明確了消能減震建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)高于一般依靠自身強(qiáng)度及變形能力(延性)來抗御地震的建筑的抗震設(shè)防目標(biāo)，但未具體明確不同情況下消能減震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)。因而，要依據(jù)這一規(guī)定來進(jìn)行抗震設(shè)計尚有困難。在設(shè)計中建議采用這樣的設(shè)防目標(biāo):由于不同原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)在多遇地震下尚不能滿足規(guī)范要求，或需采取明顯不合理的過分加強(qiáng)措施才能滿足規(guī)范要求，或需采取減震措施才能滿足實際工程和建筑要求時，可采用阻尼器減震。此時，其抗震設(shè)防目標(biāo)可與現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》相同。

1 彈塑性阻尼墻

彈塑性阻尼墻較一般的阻尼元件具有更大的耗能能力，且彈塑性阻尼墻厚度小，布置不需要占用整個開間，所以更適合用于建筑結(jié)構(gòu)中。彈塑性阻尼墻具有以下主要特點:對風(fēng)致振動和地震作用，均可獲得良好的減震效果;可依據(jù)建筑規(guī)模及減震要求，自由設(shè)計阻尼墻參數(shù);產(chǎn)品可設(shè)置在墻壁內(nèi)，不影響建筑使用功能。彈塑性阻尼器是利用軟鋼作為能量吸收材料的阻尼器，可根據(jù)能量吸收用鋼材的屈服機(jī)制進(jìn)行分類。采用阻尼墻的主要形式有:軸向屈服型中的軟鋼沿構(gòu)件長度方向設(shè)置，產(chǎn)生軸向變形并屈服，其形態(tài)類似于支撐;剪切屈服型中的軟鋼按平板設(shè)置，產(chǎn)生平面內(nèi)剪切變形變屈服，其形態(tài)類似于腹板。以形成產(chǎn)品的代表性彈塑性阻尼墻有:支撐型、剪切連接型、墻型、中間柱型，如圖2所示。本工程考慮建筑的使用功能，使用中間柱型的彈塑性阻尼墻。彈塑性阻尼墻利用軟鋼作為能量吸收材料，利用鋼材的屈服即塑性變形吸收振動能量。彈塑性阻尼墻的阻尼力主要由軟鋼的塑性應(yīng)變量，即塑性位移所決定，故屬于位移相關(guān)型阻尼器。由于鋼材屈服點的偏差對阻尼墻性能造成很大影響，同時其受拉性能等力學(xué)特性尤為重要等原因，需要開發(fā)出專門鋼材作為阻尼墻能量吸收的材料。如圖3所示，軟鋼在不發(fā)生屈曲或破壞時描繪出紡錘形的穩(wěn)定滯回環(huán)，具有良好的能量吸收能力。其恢復(fù)力主要與位移的大小相關(guān)。軟鋼用作阻尼器正是基于這樣的特性。

本論文的研究采用中間柱型彈塑性阻尼墻要得到穩(wěn)定的紡錘形滯回環(huán)，這種阻尼墻在分析中需要注意以下的適用條件:當(dāng)鋼板發(fā)生剪切屈曲時，在反復(fù)荷載作用下在剪切位移角為0的附近，由于張力場方向的逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致屈曲波形的凹凸反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)瞬時承載力降低的褶皺現(xiàn)象，此時不能得到穩(wěn)定的紡錘形滯回環(huán)。為防止這樣的褶皺現(xiàn)象必須采用加勁肋防止鋼板的屈曲;阻尼墻由于受壓側(cè)的截面膨脹，導(dǎo)致阻尼墻與防屈曲構(gòu)件之間產(chǎn)生擠壓使應(yīng)變變的極大，此時承載力的提高導(dǎo)致滯回環(huán)不對稱，阻尼墻部分應(yīng)具有適當(dāng)?shù)拈L度以保證其應(yīng)變不致過大;彈塑性阻尼墻通過滯回環(huán)吸收能量最終因疲勞而導(dǎo)致破壞，彈塑性阻尼墻的低周疲勞設(shè)計曲線對判斷阻尼墻的極限強(qiáng)度十分有用;低屈服點鋼即使在多遇地震荷載輸入作用下其性能也受應(yīng)變速度的影響。

圖2 彈塑性阻尼器的種類

圖3 彈塑性阻尼墻滯回曲線圖

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)分析時，彈塑性阻尼墻的荷載—變形關(guān)系大都可仿照傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的雙線性滯回模型進(jìn)行近似處理。因此，彈塑性阻尼墻的基本阻尼特性可以用雙線性模型模擬其靜力或動力荷載下的荷載—變形關(guān)系，模型參數(shù)可采用圖4所示基準(zhǔn)值。基準(zhǔn)值的定義方法可利用圖5所示的基于阻尼墻靜力或動力試驗得到的荷載—變形關(guān)系，根據(jù)其滯回能量吸收與試驗值大致等效的條件定義各基準(zhǔn)值。

圖4 彈塑性阻尼墻的基本性能基準(zhǔn)值

本工程使用Wen滯回模型模擬彈塑性阻尼墻的基本阻尼特性，Wen滯回模型如圖5所示。其恢復(fù)力f可用下式表示:f=ratio·KdK+(1－ratio)Fdy·z。其中，K為彈性剛度;Fdy為屈服強(qiáng)度;ratio為屈服后的第二剛度與屈服前的彈性剛度的比值;z為恢復(fù)力模型的內(nèi)部參數(shù)，而且:|z|≤1。屈服面上，|z|=1，z的初值為0，滿足:exp為屈服指數(shù)，是大于1的數(shù)，當(dāng)exp的值較大時，Wen滯回模型即為雙曲線模型。因此，可以通過彈塑性阻尼墻的基準(zhǔn)值計算出Wen模型需要的各個參數(shù)的值。

圖5 Wen滯回模型

2 基于彈塑性軟鋼阻尼墻的減震分析

以8度0.3g地區(qū)完成的某高層建筑為例研究彈塑性軟鋼阻尼墻的減震設(shè)計方法。建立可靠的分析模型是進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜、動力分析的基礎(chǔ)，可靠的分析模型首先應(yīng)該能夠真實地反映出結(jié)構(gòu)的動力特性，并且能夠比較準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)在彈性和彈塑性階段的動力響應(yīng)。用大型商業(yè)有限元軟件ETABS建立了某高層建筑的減震結(jié)構(gòu)和非減震結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。我國建筑抗震設(shè)計地震動的選用標(biāo)準(zhǔn)主要按建筑場地類別和設(shè)計地震分組，選用和設(shè)計反應(yīng)譜影響系數(shù)曲線具有統(tǒng)計意義的不少于兩組的實際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線。依照抗震規(guī)范要求，分析選用了6條天然地震動和2條人工地震動。從結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的角度分析所選用的地震動，我國GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范明確規(guī)定，在彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均超過振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值均大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。表1給出了X向非減震結(jié)構(gòu)時程和反應(yīng)譜樓層地震剪力對比結(jié)果，圖6給出了相應(yīng)的對比曲線圖。

表1 X向非減震結(jié)構(gòu)時程和反應(yīng)譜樓層地震剪力對比 kN

圖6 X，Y向非減震結(jié)構(gòu)時程和反應(yīng)譜樓層地震剪力對比

減震目標(biāo)的確定在結(jié)構(gòu)減震設(shè)計中十分重要，它是減震效果和經(jīng)濟(jì)性的一個平衡點，所確定的減震目標(biāo)既要求減震系統(tǒng)能夠達(dá)到常規(guī)設(shè)計提出的要求，又不能過多配置造價相對較高的消能元件，減震分析的流程如圖7所示。

在結(jié)構(gòu)中合理布置阻尼墻是在給定配置數(shù)量條件下達(dá)到減震效果的有效途徑。在阻尼墻的布置中除了要遵循“大分散，小集中”的原則，還要考慮到建筑物本身的一些特點。通過阻尼墻數(shù)量、位置的多輪時程分析、優(yōu)化調(diào)整后，確定了最終減震方案。本工程在塔樓部分X向布置16片阻尼墻，Y向布置40片阻尼墻。彈塑性阻尼墻的基本阻尼特性可以用雙線性模型模擬其靜力或動力荷載下的荷載—變形關(guān)系，阻尼墻模型參數(shù)基準(zhǔn)值如表2所示。

表2 本工程阻尼墻模型參數(shù)的基準(zhǔn)值

圖7 彈塑性軟鋼阻尼墻的減震設(shè)計流程圖

表3 罕遇地震作用下的阻尼墻最大位移 mm

圖8 減震結(jié)構(gòu)多遇地震下樓層最大地震剪力和層間位移角

利用快速非線性分析方法(FNA)對設(shè)置彈塑性軟鋼阻尼墻的消能減震系統(tǒng)進(jìn)行8度多遇地震下(110gal)的地震響應(yīng)分析。快速非線性分析方法是Edward L.Wilson提出的，這種方法十分適合對配置有限數(shù)量非線性單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動力分析。圖8給出了結(jié)構(gòu)減震后的地震剪力和層間位移角，對比圖6可以看出減震后結(jié)構(gòu)的地震剪力有所降低，最大層間位移角由不減震的1/718達(dá)到了1/835，滿足了規(guī)范的要求。對減震體系進(jìn)行了罕遇地震作用下的響應(yīng)分析，表3給出了罕遇地震作用下彈塑性阻尼墻的X向和Y向中彈塑性阻尼墻最大位移，要求廠商提供的阻尼墻的極限位移必須大于表3的最大位移。

滯回曲線反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗，是進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的依據(jù)。圖9給出了典型位置的阻尼墻在罕遇地震下的滯回曲線。

圖9 罕遇地震作用下的阻尼墻滯回耗能曲線

彈塑性阻尼墻與主結(jié)構(gòu)的連接方法與一般鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大致相同，考慮到特殊情況下構(gòu)件更換的可能性，最常采用的是高強(qiáng)螺栓連接。考慮到本工程位于高烈度區(qū)，建議采用高強(qiáng)螺栓連接，與彈塑性阻尼墻連接的混凝土梁設(shè)計為型鋼梁，以方便高強(qiáng)螺栓的連接。

3 結(jié)語

通過研究彈塑性阻尼墻在高烈度區(qū)高層建筑的減震分析和設(shè)計，可以得到以下主要結(jié)論:彈塑性軟鋼阻尼墻可以為建筑結(jié)構(gòu)提供附加的阻尼比，從而減小結(jié)構(gòu)的地震作用;減震結(jié)構(gòu)在8度多遇地震作用下最大樓層地震剪力分布合理，兩個方向的最大層間位移角均小于1/800，滿足我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》不大于1/800的要求，減震結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能;減震結(jié)構(gòu)在8度罕遇地震作用下軟鋼阻尼墻的滯回曲線更加飽滿，減震效果更加明顯，其最大位移為產(chǎn)品的設(shè)計提供了重要設(shè)計參數(shù)。本研究為高烈度區(qū)建造高層建筑提供了新的設(shè)計方法和思路，也為高烈度區(qū)的減震設(shè)計的推廣和應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

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