超限高層框架結(jié)構(gòu)采用粘滯消能減震支撐的抗震性能分析

任澤民，馬亞南，喬金麗，侯雙

（1.河北工業(yè)大學(xué)校園規(guī)劃處，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401）

超限高層框架結(jié)構(gòu)采用粘滯消能減震支撐的抗震性能分析

任澤民1，馬亞南2，喬金麗2，侯雙2

（1.河北工業(yè)大學(xué)校園規(guī)劃處，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401）

針對(duì)采用粘滯消能減震支撐的超限高層框架結(jié)構(gòu)抗震性能的復(fù)雜性，為了提高超限高層的抗震性能，對(duì)天津市某高校超限圖書館結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)選型、消能減震支撐的選擇和布置進(jìn)行反應(yīng)譜和非線性時(shí)程的分析計(jì)算．分析結(jié)果表明消能減震支撐能有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能；粘滯阻尼器的數(shù)量不能決定消耗能量的多少，只有合理布置，才能更好地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能．

超限高層；框架結(jié)構(gòu)；消能減震支撐；抗震性能

地震是一種突發(fā)性的破壞性極強(qiáng)的自然災(zāi)害，傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)是通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗震性能來抵抗地震作用的，但是這種方法在安全性上難以保證，且經(jīng)濟(jì)性欠佳．因此，一種既安全，又經(jīng)濟(jì)、適用的新型工程結(jié)構(gòu)——消能減震控制體系誕生了[1-2]，并且迅速應(yīng)用到世界建筑中去[3-6]．這種體系主要通過在工程結(jié)構(gòu)的特定部位，裝設(shè)某種裝置或某種機(jī)構(gòu)（消能支撐、消能器等），或者某種子機(jī)構(gòu)，或施加外力（外部能量輸入），以改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性或動(dòng)力作用，使結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)得到合理控制，確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中人和財(cái)產(chǎn)的安全[7]．

近20年，消能減震裝置被逐漸應(yīng)用到我國的各種建筑中去[8]．同時(shí)也做了大量的研究[9-11]．為了進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)選型、消能減震支撐的選擇和布置對(duì)超限高層抗震性能，本文通過對(duì)天津某高校圖書館的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析，旨在提高超限高層的抗震性能，為類似超限高層的抗震設(shè)計(jì)提供參考．

1 工程概況

本文采用某校圖書館的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析，該建筑地下1層，地上8層，標(biāo)準(zhǔn)層層高5.1 m，結(jié)構(gòu)總高度40.5m，主樓平面外圍尺寸約74m×84m，東、西立面向外側(cè)傾角10°，建筑大部分樓層平面呈細(xì)腰的“工”字形，見圖1、圖2．抗震設(shè)防類別為丙類．本工程所在校區(qū)位于抗震設(shè)防7度（0.15g）分區(qū)，將地震峰值加速度提高至0.2g，并按8度采取抗震措施．

2 超限判別

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，本工程存在4項(xiàng)一般性不規(guī)則情況：1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；2）凹凸不規(guī)則；3）有細(xì)腰形或角部重疊形；4）尺寸突變．頂部樓層局部設(shè)斜吊桿，最大挑出長度5 m，不符合要求的豎向構(gòu)件位置縮進(jìn)大于25%或外挑大于10%和4 m的要求．結(jié)構(gòu)總高度40.5 m，略超8度區(qū)框架結(jié)構(gòu)高度限值40m．

圖1 圖書館標(biāo)準(zhǔn)層平面圖Fig.1 Thelibraryplanofstandardfloor

3 消能減震設(shè)計(jì)及布置

3.1 消能減震設(shè)計(jì)

本結(jié)構(gòu)采用非線性粘滯流體阻尼器，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按下式估算：

式中：a為消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；Wcj為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)層間位移uj；Wa為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能，對(duì)整體結(jié)構(gòu)可按下式計(jì)算：

其中：Vj為樓層地震剪力；uj為層間位移．經(jīng)反應(yīng)譜法試算，

確定結(jié)構(gòu)阻尼比為0.12時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求．又因本結(jié)構(gòu)

可提供自身阻尼0.04，阻尼器需提供的附加阻尼為0.08．根據(jù)抗震規(guī)范阻尼器附加阻尼比的計(jì)算方法，確定阻尼器參數(shù)見表1，數(shù)量見表2（結(jié)構(gòu)Y方向阻尼器數(shù)量為0、0、5、5、3、4、3、3、0），阻尼器設(shè)置樓層為2～7層．其中B型阻尼器為節(jié)點(diǎn)型小型阻尼器，僅為提高細(xì)腰處結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能設(shè)置，整體結(jié)構(gòu)附加阻尼比計(jì)算中未考慮其有利作用．

圖2 圖書館立面Fig.2 Thelibraryelevation

表1 粘滯流體阻尼器參數(shù)Tab.1 The parameters of Viscous fluid damper

同理，在結(jié)構(gòu)Y方向布置阻尼器數(shù)量從1到9分別為：0、0、5、5、3、4、3、3、0，總計(jì)23個(gè)．

表2 結(jié)構(gòu)X向粘滯流體阻尼器數(shù)量估算Tab.2 The number of Viscous fluid dam per's estimation in X

3.2 阻尼器的布置

按照阻尼器布置原則以及計(jì)算結(jié)果，分別設(shè)置不同數(shù)量的阻尼器進(jìn)行對(duì)比，一種按計(jì)算的實(shí)際數(shù)量進(jìn)行布置，此時(shí)結(jié)構(gòu)的附加阻尼比為0. 076；另一種在2～7層均勻布置阻尼器，每層設(shè)置10個(gè)，附加阻尼比為0.08．分別設(shè)定為方案1、方案2，阻尼器布置分別見圖3、圖4．

4 反應(yīng)譜分析結(jié)果

本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力仍按目前我國設(shè)計(jì)規(guī)范方法考慮．表3為3種結(jié)構(gòu)方案CQC法的計(jì)算結(jié)果．

表3 反應(yīng)譜法的主要分析結(jié)果Tab.3 The main analysis results of CQC

從表3可以看出，原結(jié)構(gòu)和方案1的最大層間位移角均大于規(guī)范要求的1/550，僅方案2滿足規(guī)范要求．阻尼比增大后的位移減小56%，首層地震剪力減小28%．

5 時(shí)程分析及結(jié)果對(duì)比

利用Etabs進(jìn)行抗震分析，用Nlink單元中的Damper模擬黏滯阻尼器，阻尼器參數(shù)見上表．在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，選取2條天然波（TR1、TR2）和1條人工波（RG），并按主次方向1∶0.85的比例輸入．分析結(jié)果如表4～表6．

表4 原結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果Tab.4 The results of time history analysis method

圖3 方案1Fig.3 Plan1

圖4 方案2Fig.4 Plan2

通過對(duì)結(jié)果分析，1）原結(jié)構(gòu)的層間位移角明顯不滿足國家抗震規(guī)范最大不能超過1/550，而添加粘滯阻尼器以后，層間位移角和首層地震剪力都明顯減小，滿足國家規(guī)范要求；2）方案1非線性時(shí)程分析法層間位移角平均減震率是51%，首層剪力平均減震率40%，取得了良好的減震效果；方案2非線性時(shí)程分析法層間位移角平均減震率是47%，首層剪力平均減震率38%，減震效果不及方案1，但由于方案1的反應(yīng)譜法分析的層間位移角不滿足規(guī)范要求，因此選用方案2．

6 結(jié)論

1）框架結(jié)構(gòu)中安裝粘滯阻尼器，可以有效的減小最大層間位移角和層剪力，消耗地震能量，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，達(dá)到國家規(guī)范要求；

2）在框架結(jié)構(gòu)中安裝阻尼器的多少，和提高結(jié)構(gòu)抗震性能高低沒有直接關(guān)系，只有合理布置粘滯阻尼器，才能更好地消耗地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震；

3）對(duì)于不滿足國家抗震規(guī)范的大空間超限高層建筑，可以安裝效能減震結(jié)構(gòu)來消耗地震能量，從而滿足建筑結(jié)構(gòu)要求．

表5 層間位移角和減震率對(duì)比Tab.5 Comparisons of story drift and damping rate

表6 首層地震剪力和減震率對(duì)比Tab.6 Comparisons of first floor story share and dam ping rate

[1]郭晨光．安裝粘彈性阻尼減振裝置的高層建筑抗震研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2004．

[2]林寧．粘彈性阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置[D]．成都：西南交通大學(xué)，2008

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[責(zé)任編輯 楊屹]

Seismicanalysisofirregularhigh-riseframestructure withviscousdampingbrace

RENZemin1，MAYanan2，QIAOJinli2，HOUShuang2

(1.DepartmentofProgrammingandConstruction,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China;2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China )

Theseismicbehaviorofirregularhigh-risestructurewithviscousdampingbraceiscomplex.Inordertoimprovetheseismicperformanceofhigh-risebuilding,the seismicresponseofresponsespectrumandnonlineartime-historyanalysisonanirregularcollegelibraryinTianjinofstructureformselection,damperselectionandlayoutisstudied. Theresultshowthatviscousdampingbracecaneffectivelyimprovetheseismicperformanceofstructure;thenumberofviscousdampercannotdeterminehowmuchenergyconsumption is,andonlythroughthereasonabledecorate,canitimprovetheseismicperformanceofthestructure.

irregularbuilding;framestructure;viscousdampingbrace;seismicperformance

TU311.41

A

1007-2373(2015)06-0086-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.017

2015-05-07

河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（QN2014119）

任澤民（1964-），男（漢族），正高級(jí)工程師．

數(shù)字出版日期：2015-12-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151217.1506.004.html