非對稱雙塔連體結構的消能減震分析

林立軍

(福建省抗震防災技術中心　福建福州　350001)

?

非對稱雙塔連體結構的消能減震分析

林立軍

(福建省抗震防災技術中心福建福州350001)

以某實際工程為背景，進行非對稱雙塔連體結構的消能減震分析，并通過數值模擬計算就阻尼器參數進行優化分析。分析結果表明，在非對稱雙塔連體結構中設置粘滯阻尼器，可以有效降低結構響應；在阻尼器速度指數確定時，增加阻尼系數對阻尼器耗能及降低非對稱雙塔連體結構響應均有較大幫助。

非對稱雙塔連體結構，粘滯阻尼器，阻尼系數

0　引言

大底盤多塔結構為目前城市綜合體建筑廣泛采用的建筑形式，連廊連體結構是其中發展起來的一種結構形式[1,2]，多在雙塔結構中采用，工程中的雙塔結構存在對稱及非對稱布置的形式。對于大底盤非對稱雙塔結構，由于其不同塔體的結構布置的差異，在地震作用下的平扭耦聯振動效應較單塔結構或對稱雙塔結構顯著許多，而連廊連體結構由于連接體的存在，其實質是給兩個塔體之間提供了一定的連接剛度，將導致兩塔之間的耦聯振動效應愈發復雜。為了改善該類結構的動力特性，可在連接體與塔體間的連接方式上進行優化設計，改變塔體間的連接剛度及阻尼，從而提高其抗震性能[3]。

本文以某實際工程為背景，在非對稱雙塔間連廊與塔體間設置粘滯阻尼器，由于粘滯阻尼器的設置，將導致結構行為的非線性特質更加明顯，其分析方法較傳統基于線性理論的結構分析過程有著顯著差異。本文基于粘滯阻尼器的消能減震原理，對該非對稱雙塔連廊結構進行消能減震分析，并對該工程阻尼器的參數優化設置進行分析。

1　粘滯阻尼器消能減震基本原理及計算方法

1.1消能減震原理

粘滯阻尼器減震基本原理是通過阻尼器的粘滯特性吸收能量導致結構系統阻尼增加。該類型阻尼器一般由缸體、活塞、阻尼孔、粘性介質和導桿等組成，當活塞在缸體內往復運動時，活塞前后的壓力差使粘滯材料從阻尼孔中通過，從而產生阻尼力，達到耗能的目的，通過結構的振動使活塞與缸體間發生相對運動，并利用粘滯阻尼器消耗結構振動的部分能量，達到降低結構振動(地震或風振)反應的目的。圖1是設置粘滯阻尼器后的減震結構反應譜示意圖。其中的效應①是由于阻尼器對結構系統提供的額外剛度導致的結構響應變化；效應②則是系統阻尼增加引起的結構響應變化。在效應①、②的共同作用下，系統的位移、速度、加速度響應均比原結構小[4]。

1.2粘滯阻尼器計算模型

對于粘滯阻尼器的力學模型，目前已提出的數學模型有Kelvin模型、Maxwell模型、Wierchert模型、小數導數模型等，其中目前在工程領域使用最為廣泛的是Maxwell模型，其力學模型如圖2所示，設阻尼單元位移為u，則粘滯阻尼器出力表達式為[5]：

(1)

(2)

其中，α為速度指數，cα為粘滯阻尼系數。粘滯阻尼器出力與其速度的關系曲線如圖3，當α≠1時，式即表征了粘滯阻尼器的非線性特性，由圖3可以看出，α越小，阻尼器的耗能越大，因此，目前常用的粘滯阻尼器均為非線性粘滯阻尼器。

圖2粘滯阻尼器的Kelvin模型

對于設置了阻尼器的減震結構而言，其動力方程與非減震結構相比，多出了阻尼器出力項，其動力方程可表示為：

(3)

將式(2)代入式(3)，即可對該非線性體系采用時程分析法進行求解。

2　工程實例

2.1工程概況

本工程的連體結構的雙塔分別為100m、高23層的鋼筋混凝土框支剪力墻結構的A塔及140m、高30層的鋼混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結構的B塔，在21～22層設置連廊相連，連體結構整體模型軸測示意圖如圖4所示。其中連廊采用鋼桁架結構形式，桁架高度10m，結構模型如圖5所示。桁架與A塔連接方案順桁架方向采用滑動連接，垂直桁架方向為鉸接，支座采用可轉動可滑動式支座。桁架與B塔連接方案順桁架方向采用滑動連接+縱向粘滯阻尼器(兩個)，垂直桁架方向為鉸接，支座采用可轉動可滑動式。具體支座及阻尼器布置詳見圖6連廊的平立面示意圖。該建筑地處抗震設防7度(0.10g)地區，地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，基本風壓為0.70kN/m2。

2.2地震波的選取

根據抗震設防標準、場地條件、建造物基本周期及近、遠震等因素，使用工程抗震設計軟件EQSS，選取適宜本場地的天然地震波各2條，見表1。選波條件如下：

(1)加速度峰值：據土層地震動反應分析計算的結果，分別取不同概率水準的土層地表水平加速度峰值。

(2)場地類別為II類。

(3)建筑物基本周期：3.59秒。

(4)根據各潛在震源區對場地地震動貢獻的大小，場地主要考慮近震影響。

在天然波確定后，根據50年超越概率分別為63%和2%的兩種水準進行調幅，得到每一條天然波不同峰值水平的波形各2條，詳細天然波選取及波形文件詳見表1，波形圖見圖7。

表1　地表面(Ⅱ類場地)天然地震波目錄

注：R—震中距(km)，Amax—最大加速度(cm/s2)。

此外，為滿足工程場地抗震設計中采用時程法進行驗算的需要，根據《工程場地地震安全性評價》GB 17741-2005的要求，另外人工合成工程場地抗震所需的設計地震動時程，對于2種超越概率(50年63%、2%)各合成2條時程作為人工波進行驗算分析。

2.3阻尼器參數優化分析

輸入上述天然波和人工地震波進行結構時程分析，因主要考慮連廊與塔樓連接的阻尼器耗能能力及其對塔樓的影響，分析時兩塔樓和連廊均不考慮進入塑性，只考慮邊界非線性問題，計算結果均取包絡值。

由于速度指數越小(如圖3所示)，阻尼器耗能能力越強，目前工程中常用的均為0.2至1.0之間，本工程所用阻尼器速度指數取為0.2。因此，本工程的阻尼參數優化主要針對阻尼系數，本文分別選取阻尼系數為800kN·s/m、1 000kN·s/m、1 200kN·s/m、1 500kN·s/m、1 800kN·s/m、2 000kN·s/m進行模擬分析，從中選取合理的阻尼系數。

2.3.1阻尼器耗能分析

圖8為結構按照式(3)計算所得不同阻尼系數下阻尼器的滯回耗能曲線。由圖可知，不同阻尼系數下的阻尼器的滯回環均很飽滿，均能很好的耗能，因此，通過阻尼器的耗能，可減小連廊的晃動且可以較快減輕連廊的晃動程度。不同的是阻尼系數較大的阻尼器可以在較短的行程內進行同能量的耗散。

2.3.2阻尼器行程分析

根據本工程超限分析報告，由模型的計算結果得，連體與A塔沿連廊軸向(X向)在100年一遇風荷載下最大相對變形不超過60mm，在罕遇地震下最大相對變形預估不超過500mm。考慮A塔和B塔沿Y向不同步變形，在罕遇地震下最大相對變形預估不超過400mm。把連廊作為剛體考慮，當連廊產生1.5°轉角時，沿Y向兩塔樓變形差約為550mm，同塔樓兩支座沿Y向相對變形差約為49mm。因此，考慮以上因素選擇阻尼器最大行程限值為±250mm。

(a)阻尼系數800kN.s/m

(b)阻尼系數1000kN.s/m

圖9為計算所得大震下不同阻尼系數下阻尼器的最大行程。由圖可知，阻尼系數為800kN.s/m時，阻尼器的最大行程比較接近最大行程限值。為了安全起見，可選擇阻尼系數較大的阻尼器。

2.3.3連廊響應分析

圖10為大震時不同阻尼系數下與連廊支座相連節點相對地面的位移時程曲線。由圖可知，設置阻尼器能夠一定程度上減小連廊的晃動程度，且可以較快地減小連廊的晃動程度且阻尼系數越大，位移響應的衰減程度越大。表2為大震時阻尼器在不同阻尼系數下，連廊樓層及其相連樓層的剪力。由表2可知，增設阻尼器，對塔樓相連樓層的剪力基本沒有影響或影響非常小。

表2　不同阻尼系數下連廊樓層剪力及其相連樓層剪力

3　結論

根據以上分析，可知在非對稱雙塔連體結構中設置粘滯阻尼器，可以在有效降低結構響應的同時，在設置阻尼處并不增大結構受力；同時，本工程的算例表明，在阻尼器速度指數確定時，增加阻尼系數對阻尼器耗能及降低非對稱雙塔連體結構響應均有較大幫助。

[1]吳耀輝,婁宇,李愛群,等.大底盤多塔樓結構抗震分析研究進展[J].建筑結構,2013,33(9): 16-19.

[2]婁宇,王紅慶,陳義明.大底盤上雙塔和連體高層建筑的振動分析[J].建筑結構,1999,(4): 9-12.

[3]黎譽,施衛星.組合減震裝置在連體結構高空連廊中的應用[J].佳木斯大學學報,2014,32(6): 826-830.

[4]社團法人日本隔震結構協會.被動減震結構設計·施工手冊[M].蔣通，譯.北京: 建筑工業出版社,2008.

[5]彭偉.線性和非線性粘滯阻尼器在橋梁減震中的應用研究[D].上海: 同濟大學,2011.

Energy Dissipation Analysis of Asymmetric Connected Double-Tower Structure

LIN Lijun

(Fujian Province Anti-Seism Center,Fuzhou 350001)

The energy dissipation and vibration reduction analysis is carried out using a real project as the background.The optimization of damper parameter is implemented according to numerical simulation.It is demonstrated that setting viscous damper in asymmetric connected double-tower will effectively reduce the structural responses.When the velocity index of damper is determined,increasing damping factor will be helpful to the energy dissipation of damper as well as reducing the responses of the asymmetric double-tower structure.

Asymmetric connected double-tower structure; Viscous damper; Damp factor

林立軍(1970.06-)，男，高級工程師。

E-mail:519897863@qq.com

2016-03-23

TU3

A

1004-6135(2016)04-0054-05