高烈度區彈塑性軟鋼阻尼墻的減震設計研究

李文化

(浙江東都建筑設計研究院，浙江杭州 310007)

在地震高烈度區建造高層建筑采用傳統抗震設計方法難度較大，結構主要構件截面過大、配筋過多，材料花費較多，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，另外結構構件截面、配筋增大后，結構剛度將大幅度增加，結構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構構件的彈塑性變形來耗散，導致結構在大震中損壞嚴重，對結構的安全不利。以既定的“設防烈度”作為設計依據，當發生超烈度地震時，房屋可能會嚴重破壞，并且由于地震的隨機性，建筑結構的破損程度及倒塌可能性難以控制［1-3］。基于以上傳統抗震設計方法的不利因素，減震技術逐漸在高烈度區建造高層建筑中被推廣和應用，并取得了較好的技術和經濟效應。

地震發生時結構物吸收了大量的地震能量，必然要進行能量轉換或消耗才能最后終止振動反應。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、聯結縫等)裝設消能裝置［4，5］。在風或小地震時，這些消能構件或者消能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態，結構物仍具有足夠的側向剛度以滿足使用要求。當發生中、強地震時，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強震中免遭嚴重破壞，確保結構安全。由于消能部件給結構附加了阻尼，所以結構的等效阻尼比會增加，圖1繪出了《建筑抗震設計規范》規定的不同阻尼比情況下的地震影響系數曲線，圖中顯示隨著阻尼比的增大，地震影響系數曲線下降，結構地震作用下降。

圖1 地震影響系數曲線

對于減震結構，新規范只有如下的原則規定:“采用減震或消能減震設計的建筑，當遭遇到本地區的多遇地震影響、抗震設防烈度地震影響和罕遇地震影響時，其抗震設防目標應高于本規范第1.0.1條的規定”［6］。這里明確了消能減震建筑的抗震設防目標應高于一般依靠自身強度及變形能力(延性)來抗御地震的建筑的抗震設防目標，但未具體明確不同情況下消能減震結構的抗震設防目標。因而，要依據這一規定來進行抗震設計尚有困難。在設計中建議采用這樣的設防目標:由于不同原因導致結構在多遇地震下尚不能滿足規范要求，或需采取明顯不合理的過分加強措施才能滿足規范要求，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，其抗震設防目標可與現行《建筑抗震設計規范》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構中。彈塑性阻尼墻具有以下主要特點:對風致振動和地震作用，均可獲得良好的減震效果;可依據建筑規模及減震要求，自由設計阻尼墻參數;產品可設置在墻壁內，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，可根據能量吸收用鋼材的屈服機制進行分類。采用阻尼墻的主要形式有:軸向屈服型中的軟鋼沿構件長度方向設置，產生軸向變形并屈服，其形態類似于支撐;剪切屈服型中的軟鋼按平板設置，產生平面內剪切變形變屈服，其形態類似于腹板。以形成產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變量，即塑性位移所決定，故屬于位移相關型阻尼器。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特性尤為重要等原因，需要開發出專門鋼材作為阻尼墻能量吸收的材料。如圖3所示，軟鋼在不發生屈曲或破壞時描繪出紡錘形的穩定滯回環，具有良好的能量吸收能力。其恢復力主要與位移的大小相關。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定的紡錘形滯回環，這種阻尼墻在分析中需要注意以下的適用條件:當鋼板發生剪切屈曲時，在反復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導致屈曲波形的凹凸反轉，出現瞬時承載力降低的褶皺現象，此時不能得到穩定的紡錘形滯回環。為防止這樣的褶皺現象必須采用加勁肋防止鋼板的屈曲;阻尼墻由于受壓側的截面膨脹，導致阻尼墻與防屈曲構件之間產生擠壓使應變變的極大，此時承載力的提高導致滯回環不對稱，阻尼墻部分應具有適當的長度以保證其應變不致過大;彈塑性阻尼墻通過滯回環吸收能量最終因疲勞而導致破壞，彈塑性阻尼墻的低周疲勞設計曲線對判斷阻尼墻的極限強度十分有用;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

在進行結構振動反應分析時，彈塑性阻尼墻的荷載—變形關系大都可仿照傳統鋼結構的雙線性滯回模型進行近似處理。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—變形關系，模型參數可采用圖4所示基準值。基準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—變形關系，根據其滯回能量吸收與試驗值大致等效的條件定義各基準值。

圖4 彈塑性阻尼墻的基本性能基準值

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為恢復力模型的內部參數，而且:|z|≤1。屈服面上，|z|=1，z的初值為0，滿足:exp為屈服指數，是大于1的數，當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值計算出Wen模型需要的各個參數的值。

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

表1 X向非減震結構時程和反應譜樓層地震剪力對比 kN

圖6 X，Y向非減震結構時程和反應譜樓層地震剪力對比

減震目標的確定在結構減震設計中十分重要，它是減震效果和經濟性的一個平衡點，所確定的減震目標既要求減震系統能夠達到常規設計提出的要求，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。

在結構中合理布置阻尼墻是在給定配置數量條件下達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。通過阻尼墻數量、位置的多輪時程分析、優化調整后，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—變形關系，阻尼墻模型參數基準值如表2所示。

表2 本工程阻尼墻模型參數的基準值

圖7 彈塑性軟鋼阻尼墻的減震設計流程圖

表3 罕遇地震作用下的阻尼墻最大位移 mm

圖8 減震結構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)對設置彈塑性軟鋼阻尼墻的消能減震系統進行8度多遇地震下(110gal)的地震響應分析。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量非線性單元的結構進行非線性動力分析。圖8給出了結構減震后的地震剪力和層間位移角，對比圖6可以看出減震后結構的地震剪力有所降低，最大層間位移角由不減震的1/718達到了1/835，滿足了規范的要求。對減震體系進行了罕遇地震作用下的響應分析，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。

滯回曲線反映了結構在反復受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗，是進行非線性地震反應分析的依據。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構的連接方法與一般鋼結構構件大致相同，考慮到特殊情況下構件更換的可能性，最常采用的是高強螺栓連接。考慮到本工程位于高烈度區，建議采用高強螺栓連接，與彈塑性阻尼墻連接的混凝土梁設計為型鋼梁，以方便高強螺栓的連接。

3 結語

通過研究彈塑性阻尼墻在高烈度區高層建筑的減震分析和設計，可以得到以下主要結論:彈塑性軟鋼阻尼墻可以為建筑結構提供附加的阻尼比，從而減小結構的地震作用;減震結構在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《建筑抗震設計規范》不大于1/800的要求，減震結構具有較好的抗震性能;減震結構在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，其最大位移為產品的設計提供了重要設計參數。本研究為高烈度區建造高層建筑提供了新的設計方法和思路，也為高烈度區的減震設計的推廣和應用提供了一定的理論依據。

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［6］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.