復合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震分析

陳瑞雪 邢國雷 薛 濤

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

復合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震分析

陳瑞雪 邢國雷 薛 濤

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

通過對某高層建筑的數值仿真分析，研究了復合金屬阻尼器在高層建筑中的受力特點和應用效果，指出經過合理的設計和布置，高層建筑層間位移角明顯減小，墻與連梁的破壞程度減小，達到了良好的耗能減震效果，復合金屬阻尼器可有效提高高層建筑的抗震性能。

復合金屬阻尼器，消能減震，高層建筑，剪力墻結構

0 引言

近年來，消能減震技術在工程中的應用日益廣泛。該技術突破了傳統抗震設計方法的局限性，可以有效地改善結構抗震性能、減小地震反應[1]。通過將地震輸入建筑物的能量引向特別設置的機構或元件加以吸收和耗散，從而保護主體結構的安全。

常用的消能裝置(也稱為耗能器、阻尼器)根據消能機理不同主要分為速度、位移相關型兩種[2]。前一種分為粘滯消能器和粘彈性消能器；后一種分為摩擦消能器與金屬消能器[3]。其中金屬消能器主要分為復合金屬、軟鋼阻尼器。由于摩擦耗能器取決于結構的運動來發揮其功能，具有一定局限性，相對而言，無論是在制作成本，結構構造還是在耗能能力上，復合金屬阻尼器的表現更好[4]，所以在工程應用上越來越普遍。

如今，高層建筑日益普遍，而采用剪力墻結構的高層住宅約占高層住宅的90%[5]。對于高層剪力墻結構的消能減震的需求愈來愈大。已有許多學者研究了改善剪力墻結構抗震性能的方法。已有研究主要集中在設縫和耗能裝置等方面，比如帶縫耗能剪力墻[6]、組合填充耗能剪力墻[7]及搖擺耗能剪力墻[8]等，相比于普通剪力墻結構的延性、滯回性能均有明顯優化。這些方法有其合理性，但施工較麻煩。

本文通過在高層剪力墻結構中布置復合金屬阻尼器，分析了復合金屬阻尼器的耗能性能，結果發現其在高層剪力墻結構中有良好的耗能減震效果。

1 工程應用

1.1 復合金屬阻尼器

計算過程中，復合金屬阻尼器采用雙線型模型進行模擬，如圖1所示。可以看到，雙線型模型包括彈性剛度(k1)、第二剛度(k2)和屈服強度(fy)3個計算參數。

1.2 工程概況

某工程結構為框架—剪力墻結構體系，地下2層，地上31層，總高度97.65 m。抗震設防烈度為8度(0.20g)，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為三類，框架抗震等級為一級，剪力墻抗震等級一級，基本風壓為0.45 kN/m2。本文通過利用SAP2000和PERFORM-3D有限元軟件對該工程進行裝與不裝阻尼器兩種情況下的模態分析和地震時程反應分析。

1.3 阻尼器的布置、參數設置

根據消能元件的布置原則和圍護原則，對于該高層住宅剪力墻結構，采用附加墻的方式布置復合金屬阻尼器。采用混凝土墻體作為阻尼器的支撐，這樣不僅能提高支撐剛度，還不破壞墻體自身的建筑功能。考慮到結構形式和建筑格局等因素，經優化設計后最終布置了100個阻尼器，沿2層～26層在X向、Y向每層各布置2個。

對比幾種軟件模型分析結果可知該有限元模型是合理可行的，如表1所示。

表1 結構前6階周期對比

2 結果分析

文章選取兩條三類場地波LWD_90波、namjyeong-2和一條基于場地類別和地震分組生成的人工波。

2.1 結構彈性地震響應分析

首先采用有限元軟件SAP2000對結構模型進行8度小震、8度中震下的地震響應分析，通過對消能阻尼器的動力參數、布設位置和數量反復試算、優化調整，考察結構減震前后的各項指標參數變化，分析阻尼器減震效果。

在小震作用下結構變形較小，進入屈服階段的阻尼器數量有限，阻尼器基本沒有發揮其耗能，此時主要考慮阻尼器對結構提供的附加剛度。

由圖2可知，8度設防地震作用下，該結構層間位移超出彈性限值，但距塑性限值相差較遠，結構主體基本處于彈性狀態。安裝阻尼器之后，結構整體剛度提高不少，各層層間位移角普遍減小，X向降幅隨層高呈現先大后小的趨勢，Y向降幅隨層高而增大。安裝復合金屬阻尼器后，結構的水平變形得到了明顯的控制。從阻尼器的滯回曲線看出(見圖3)，此工況下大部分阻尼器已經進入屈服階段來消耗地震能量。

2.2 結構彈塑性地震響應分析

在9度中震作用下，提取響應最為明顯的人工波工況下結構層間位移角(見圖4)。

從圖4中可以發現，安裝阻尼器后結構各層層間位移角均有變小，X向層間位移角平均減震率達到6.0%，隨樓層的增加呈現先增大后減小的趨勢。而Y向層間位移角平均減震率達到了11.5%，隨樓層的增加效果愈好。

剪力墻作為結構抗震的第二道防線也不容忽視，故提取減震前變形最大的剪力墻的轉角時程曲線，與減震后該墻肢進行對比，如圖5所示。從圖中可知，減震前該墻肢的最大轉角為0.005 4，減震后轉角變為0.004 2，減小了23.2%。

對模型進行9度罕遇地震下的彈塑性分析，得到各時程作用下結構層間位移角，如圖6所示。在此工況下，原模型在人工波作用下最大層間位移角為1/100，超過規范限制。而減震模型在各時程波下的層間位移角均降幅明顯，并且樓層高度越大效果越好，達到規范要求。結構X向平均減震率為25.4%，Y向為14.6%。

基底剪力為反映結構在地震過程中承受的總地震力大小的宏觀指標。分析結果顯示，由結構在減震后X方向平均底部剪力減小了6.7%，Y方向減小了18.7%。如圖7所示，選取的剪力墻在原模型荷載作用下已然破壞，最大壓應變達到1 885 με,而減震模型中對應剪力墻最大壓應變為1 543 με,降低了18.2%。

3 結語

1)復合金屬阻尼器的滯回曲線飽滿，耗能性能好。在小震下既能提供附加剛度與附加阻尼，在大震下其耗能又穩定，減震效果明顯。

2)彈性分析表明，結構主體基本處于彈性階段，在8度設防地震作用下大部分阻尼器進入屈服階段開始消耗地震能量。

3)彈塑性分析表明，對結構在9度設防地震作用下結構響應分析表明，減震后結構的主要受力構件剪力墻的變形都控制在LS(生命安全)狀態，阻尼器起到了明顯的減震效果，滿足規范中“中震可修”的設防要求。

4)對結構在9度罕遇地震作用下結構響應分析表明，減震后結構能達到規范側移要求，在經歷相當于9度罕遇水平地震荷載作用下混凝土的壓應變能夠控制在峰值應變之內，滿足規范中“大震不倒”的設防要求。

[1] 周福霖.工程結構減震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[2] GB 50011—2012,建筑抗震設計規范[S].

[3] Soong T T，Dargush G F.Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering,1997.

[4] 晏曉彤，袁 波.金屬阻尼器的滯回性能分析[J].工業建筑,2014,44(1):49-53,137.

[5] 譚 平,周福霖.隔振技術的研究與工程應用[J].施工技術,2008,37(10):5-8,42.

[6] Ohmori N,Tooyama K,Takeshi T,et al.Studies Reinforced Concrete Slit Walls,1966.

[7] Xia Z M，Naaman A E.Behavior and Modeling of Infill Fiber-reinforced Concrete Damper Element for Steel concrete Shear all[J].ACI Structural Journal,2002(99):727-739.

[8] Ajrab J J,Pekcan G,Mander J B.Rocking Wall-Frame Structures with Supplemental Tendon Systems[J].Journal of Structural Engineering，2004(130):895-903.

On anti-seismic analysis of composite metal damper in high-rise buildings

Chen Ruixue Xing Guolei Xue Tao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

According to the numeric simulation analysis of some high-rise building, the paper researches the stressed features and application of the composite metal damper in high-rise buildings, points out the displacement angles among the buildings are evidently reduced and the damages between walls and beams are relieved, indicates it has better energy dissipation and seismic mitigation effect, and illustrates the damper can improve the anti-seismic performance of high-rise buildings.

composite metal damper, energy dissipation and seismic mitigation, high-rise building, shearing wall structure

1009-6825(2015)32-0045-03

2015-09-07

陳瑞雪(1988- )，女，工程師； 邢國雷(1977- )，男，高級工程師； 薛 濤(1987- )，男，助理工程師

TU352

A