軟鋼阻尼器加固底層柔性結構減震效果分析

黃 昆

HUANG Kun

(湖州職業技術學院，浙江 湖州313000)

在現代城市建筑中，大量的商場、寫字樓、住宅樓等建筑由于建筑功能的需要，往往要將底層設置成層高較高的大空間結構。由于結構的底層層高增加而墻體減少，導致結構底層側向剛度減弱，形成對抗震不利的底層柔性結構體系。在水平地震作用下，底層柔性結構的地震反應比較集中，結構底層的內力和變形均較大。當底層的水平位移不能得到有效控制時，結構在地震中將出現嚴重破壞，甚至會出現整體倒塌的危險［1］。

在進行結構設計時，一般是通過增加結構底層剛度的措施來減小結構的層間剛度比，但由于建筑功能的限制，增加底層剛度有時是很困難的。而且底層剛度的增加會減小結構的自振周期，從而使結構吸收更多的地震能量［2］。

近年來，建筑消能減震技術已廣泛應用于實際工程當中，并取得一定的效果。其中，軟鋼阻尼器作為一種被動耗能裝置，具有構造簡單、造價低廉、力學模型明確的特點，軟鋼屈服后在反復循環荷載作用下仍具有穩定的滯回特性［3］。因此，本文提出利用軟鋼阻尼器對底層柔性結構進行減震加固，在結構的底層設置一定數量的軟鋼阻尼器實施被動耗能控制，通過建立結構振動方程，對一框架結構進行時程分析來研究該加固方法的減震效果。

1 結構運動方程

圖1 為底層柔性結構，在結構底層設置軟鋼阻尼器。結構總層數為n，結構的質量、阻尼和剛度矩陣分別用M、C、K 表示。在水平地震作用下，結構的運動方程為:

l—單位列向量;

ud—被動阻尼力;

H—n ×1 維相應阻尼器的位置矩陣［4］。

將運動方程(1)用狀態方程的形式表示:

求解狀態方程(2)即可得到結構被動線性阻尼系統的動力反應［5］。

圖1 結構減震加固模型

2 工程算例

以某6 層框架結構為算例進行加固前后的減震效果分析，其標準層平面見圖2，底層層高為5.2 m，其余各層層高為3.6 m，柱網尺寸為8.4 m×7.6 m。由于底層層高較高而墻體較少，導致底層側向剛度較小，上下層的剛度比超過2，結構屬于底層柔性結構體系。采用軟鋼阻尼器對結構進行加固處理，在結構底層的縱橫方向均布置12 組軟鋼阻尼器。框架結構主要參數見表1，結構阻尼比為0.05。軟鋼阻尼器采用Q235 鋼板疊加而成，屈服后每組阻尼器提供的等效阻尼力為386 kN。地震反應計算中輸入的地震波為El Centro 波，加速度峰值調至220 cm·s-2。

圖2 標準層平面圖

表1 框架結構主要參數

3 減震效果分析

根據以上參數，分別計算出了該底層柔性結構在有阻尼器和無阻尼器兩種情況下的地震反應位移時程，見圖3～6，相應的位移峰值見表2。從計算分析結果可以看出，底層柔性結構在加固前的地震反應強烈，特別是底層的位移反應較大，層間位移角達到1/128，結構底層處于塑性屈服狀態。加固后的底層位移反應減小30%以上，上部各層位移和結構的加速度反應也都明顯減小。

圖3 底層位移時程

由此可見，采用軟鋼阻尼器對底層柔性結構進行加固能夠起到明顯的減震效果，結構底層位移、層間位移、頂層位移和各層加速度均得到明顯控制，并減小了結構底層塑性破壞的程度。

圖4 頂層位移時程

圖5 底層加速度時程

圖6 頂層加速度時程

表2 結構各層位移和加速度峰值

4 結 語

底層柔性結構是一種普遍存在的結構體系，為了防止結構在地震作用下出現底部較大的塑性變形，在進行結構設計時應選擇合理的結構方案和有效的抗震措施。傳統的通過增加底層剛度的方法雖然比較有效，但有時由于建筑功能的限制，增加底層剛度很難實現。

本文提出的采用軟鋼阻尼器進行加固，通過增加底層阻尼的方法來耗散地震能量，可以達到地震作用減小的目的。通過算例分析，這種方法的減震效果比較明顯，而且軟鋼阻尼器的構造簡單，結構加固成本較低，值得進行推廣使用。

［1]郭慶子，馬華.帶纖維混凝土耗能器底層柔性結構的抗震研究［J］.工程抗震與加固改造，2012，34(5):20 -26.

［2]中國建筑科學研究院. GB 50011—2010 建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3]章叢俊，李愛群，趙明.軟鋼阻尼器耗能減震結構的研究與應用綜述［J］.工業建筑，2006，36(9):17 -21.

［4]歐進萍. 結構振動控制［M］. 北京:科學出版社，2003:441 -447.

［5]黃昆，鄒立華.考慮耦合地震作用的底層柔性結構體系振動控制［J］.自然災害學報，2014，22(3):142 -147.