隔震層中加入阻尼器后地震響應變化研究

鐘錦坤 陳開樹 韋 可 毛祥華

(廈門樹鑫建設集團有限公司，福建 廈門 361000)

隔震層中加入阻尼器后地震響應變化研究

鐘錦坤 陳開樹 韋 可 毛祥華

(廈門樹鑫建設集團有限公司，福建 廈門 361000)

利用SAP2000有限元軟件，建立了某框架隔震建筑物的有限元模型，對比分析了在隔震層中加入與未加入阻尼器的地震響應情況，研究結果表明，在建筑物的隔震層中加入阻尼器能大幅減小隔震層的位移，同時建筑物的內力加速度都有相應增大的現象。

框架結構，隔震，阻尼器，摩擦擺支座，基底剪力

0 引言

隔震技術雖然能有效提高建筑物的抗震性能，但是隔震建筑物在隔震層中產生很大的剛體位移，使得隔震建筑物的使用性受到很大的限制，為解決這個問題可以在隔震層中加入阻尼器以減小地震作用下隔震層產生過大位移的問題，也可以使隔震建筑物滿足規范規定的范圍，使隔震建筑物更具有適用性。阻尼器雖然可以有效減小隔震層的位移，但是對在隔震建筑物的隔震層中加入阻尼器后隔震建筑物的地震響應變化是怎樣的，建筑物的內力變化，加速度變化這些都還未有過研究。摩擦擺最早是由Zayas提出的一種隔震系統[1]，通過兩個曲面的摩擦滑動來實現支座的正常功能，利用鐘擺機理延長結構的自振周期。摩擦擺支座是一種性能更加優良的隔震裝置[2]，具有承載能力高、位移能力大、耐久性強、可自動復位等優點，并可以通過改變滑道半徑調整隔震周期。阻尼器雖然只有十幾年的歷史，卻發展非常迅速，超出了我們的想象[3]。最初的幾年，猶如百花齊放，很多種阻尼器都得到了試驗和發展。如果加上這幾年在我國高校里的發展，至少也有十幾種之多，如摩擦阻尼器、各種金屬阻尼器、支座阻尼器等[4]。本文將以一個實際框架隔震建筑物為工程背景，對在隔震層中加入阻尼器和未加阻尼器后地震響應變化進行研究。

1 計算模型及分析方法

某框架建筑結構的安全等級為二級，抗震設防烈度為8度，乙類建筑，基本風壓為0.55 kN/m2。某框架結構首層高5.5 m，其余層層高均為4.5 m，總高為14.5 m的3層建筑物，其中縱向六跨，跨度均為7.5 m，橫向三跨，跨度均為6 m，樓蓋為無梁樓板，1層柱截面均為700 mm×700 mm，2層、3層柱截面均650 mm×600 mm。

本文采用有限元程序SAP2000建立有限元模型進行空間地震反應分析，模型中梁柱均采用空間梁單元模擬。本文選取了與該框架結構的設計反應譜相容的EI Centro波和阪神波，并根據規范要求擬合了與設計反應譜相近的人工波。

動力特性分析：摩擦擺支座的曲面半徑取1.5 m，摩擦系數取0.03，根據相應的計算可以得出阻尼比、第一剛度值、第二剛度值等，在隔震層中還按照圖1所示的位置布置了阻尼器，最后得出該隔震建筑物的自振周期及振型。

該建筑物的前十階自振周期如表1所示。

由表1可知，建筑物的第一自振周期為0.662 5 s，隨著階數的增加，建筑物的自振周期越來越接近。建筑物的第一振型圖為橫向平動，第二振型圖為縱向平動，第三振型圖為扭轉。總的來說建筑物是以橫向平動為主。

表1 自振周期 s

2 地震作用下加速度時程

摩擦擺隔震支座豎向設計承載力為3 000 kN；摩擦擺隔震支座摩擦系數：3%，6%，9%；設計地震動峰值加速度下的支座設計極限位移為±100 mm；摩擦擺隔震支座的曲面半徑：1 m，1.5 m，2 m。本工程中采用的是粘滯阻尼器，工程中阻尼器的類型為ZNQ1，最大阻尼力為800 kN，最大行程為70 mm。

選取一條地震波(EL Centro波)按照8度罕遇地震強度設計地震強度，加速度峰值為0.20g。抗震設防標準調整加速度峰值為2 m/s2，摩擦擺支座的摩擦系數選為3%，支座曲面半徑1.5 m，阻尼器的類型為ZNQ1，最大阻尼力為800 kN，最大行程70 mm。分別對在隔震層中加入阻尼器和未加阻尼器的隔震層和非隔震建筑物的加速時程做一個對比分析。相應的時程分析結果見圖2，圖3。

從圖2和圖3可知，在隔震層中加入阻尼器后，建筑物的加速度增大了很多，在中震時由原來的1.2 m/s2變成3 m/s2，大震時由未加阻尼器時的2 m/s2變成5.8 m/s2。在隔震層中加入阻尼器后大大增大了建筑物的加速度，無論是中震還是大震，加入阻尼器后都大大增大了建筑物的加速度。對于非隔震建筑物的加速度與在隔震層加入阻尼器的加速度相近。

3 地震作用下基底剪力峰值

將三條地震波(EL Centro、阪神波、擬合人工波)按照8度罕遇地震強度設計地震強度，加速度峰值為0.20g。抗震設防標準調整加速度峰值為2 m/s2，摩擦擺支座的摩擦系數選為3%，支座曲面半徑為1.5 m，阻尼器的類型為ZNQ1，最大阻尼力為800 kN，最大行程為70 mm。分別對在隔震層中加入阻尼器和未加阻尼器的隔震層和非隔震建筑物的基底剪力峰值做一個對比分析。相應的時程分析結果如表2～表4所示。

表2 EL Centro波作用下基底剪力峰值 kN

表4 人工波作用下基底剪力峰值 kN

由表2～表4可知，隔震層中加入阻尼器后建筑物基底剪力變大，中震時的變化幅值比大震時變化幅值大得多，中震時的變化幅值大概在20%，大震時的變化幅值大概在8%。三條地震波相比，隔震層加入阻尼器后建筑物基底增大的幅值最大的是阪神波，其次是EL Centro波，最小的是人工波。

4 結論

1)在隔震層中使用阻尼器后對建筑物加速度的影響很大，在隔震層中加入阻尼器后建筑物的加速度增大很多。

2)在隔震建筑物中的隔震層中加入阻尼器后，總體來說建筑物的基底剪力都是增大的。

3)不同地震強度作用下，建筑物基底剪力增大的幅值不同，中震時加入阻尼器后增大的幅值比大震增大的幅值大。

4)不同地震波作用下，建筑物基底剪力增大的幅值不同，總體來說，EL Centro波增大的幅值居中，最大的是阪神波，最小的是人工波。

[1] [新西蘭]R.I.Skinner，W.H.Robinson，G.H.McVerry.工程隔震概論[M].謝禮立，周雍年，趙興權，譯.北京：地震出版社，1996.

[2] 莊軍生.橋梁減震、隔震支座和裝置[M].北京:中國鐵道出版社，2012.

[3] 馬 良,陳永祁.銀泰中心主塔樓采用粘滯阻尼器的消能減振設計[A].第五屆全國結構減震控制學術研討會論文集[C].2005.

[4] 李曉楠, 趙 均,陳永祁.高層建筑粘滯阻尼器安裝的一種新形式[A].第十屆高層建筑抗震技術交流會論文集[C].2005.

Abstract: This paper in the finite element software SAP2000 to establish finite element model of the building, and to join in the isolation layer and without seismic response of the damper made a comparative study of the system. The research results show that in the structure of the isolation layer after adding damper can significantly reduce the displacement of isolation layer, and the structure of the internal force of the acceleration has increases accordingly.

Key words: frame structure， isolation， damper， friction pendulum bearings， base shear

Study on earthquake response after adding damper change

Zhong Jinkun Chen Kaishu Wei Ke Mao Xianghua

(XiamenShuxinConstructionGroupCo.,Ltd,Xiamen361000,China)

2016-03-19

鐘錦坤(1974- )，男，工程師

1009-6825(2016)15-0049-02

TU352.1

A