使用阻尼器加固后建筑物地震響應研究

張長富 凌曉娟 劉 艷 毛祥華

(廈門樹鑫建設集團有限公司，福建 廈門 361000)

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使用阻尼器加固后建筑物地震響應研究

張長富 凌曉娟 劉 艷 毛祥華

(廈門樹鑫建設集團有限公司，福建 廈門 361000)

以某實際加固工程為工程背景，利用SAP2000有限元軟件，分析了建筑物加固前和加固后地震響應情況，通過對比樓層平均位移、層間剪切變形、建筑物基底剪力彎矩后，得出了阻尼器對建筑物的影響規律，研究表明，使用阻尼器加固后，在地震作用下建筑物能大幅減少樓層位移以及層間剪切變形，同時也能大幅減少建筑物的內力。

框架結構，地震響應，阻尼器，建筑物加固

0 引言

如何提高房屋及其他建筑物的抗震性能以及如何減少地震反應具有非常重要的意義，目前提高房屋抗震性能最有效的方法是在建筑物中采用隔震技術，減少建筑物在地震中的反應響應最有效的方法是在建筑物中加阻尼器。從20世紀50年代開始在機械、車輛、航天和軍事工業系統中得到應用的液體粘滯阻尼器，80年 代末開始在美國的建筑結構和橋梁工程界試驗、研究及應用。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[1]。最初的幾年，有如百花齊放，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[2]。無論從理論和試驗研究上看,這些阻尼器都有很多創新之處[3-5]。在建筑物中加入阻尼器能有效抵抗風荷載，在風荷載作用下能使建筑物滿足正常使用的要求。本文將以一個實際加固工程為工程背景，在加固之前建筑物的地震反應過大，不能滿足建筑物的安全性和使用性，對于如何提高建筑物的安全性和適用性，減少建筑物的地震反應將進行研究。本文將考慮在建筑物中加入阻尼器以對建筑物進行加固，對于加固前和加固后建筑物在地震作用下的地震響應進行對比，以研究阻尼器對建筑物的影響規律。

1 計算模型及分析方法

某框架結構為縱向10跨，跨度均為7.5 m，橫向4跨，跨度均為5.9 m，首層層高5.9 m，其余層層高均為4.5 m，總高為23.9 m的5層建筑物，樓蓋為無梁樓板，1層～3層柱截面均為700 mm×800 mm，4層，5層柱截面均為700 mm×700 mm。該建筑物建筑結構的安全等級為二級，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，乙類建筑，基本風壓為0.55 kN/m2。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。計算模型見圖1，模型中采用粘滯液體或膠質阻尼器(簡稱液壓阻尼器)加固。

1.1 地震波選取

結構的地震響應，同時取決于結構本身的動力特性以及輸入地震波的特性，因此選擇合理的地震波是進行動力時程分析的基礎。根據我國相關規范，《建筑抗震設計規范》規定應分別選擇兩條與設計反應譜相容的地震波，并通過設計反應譜擬合一條人工波，對隔震建筑物進行非線性時程分析。本文選取了以該框架結構的設計反應譜相容的EL Centro波和阪神波，并根據規范要求擬合了以設計反應譜相近的人工波。

1.2 動力特性分析

了解建筑物的自振特性是對建筑物進行動力分析的重要前提，對該框架建筑物進行模態分析，對建好的SAP2000有限元模型進行動力特性分析。該加固后的建筑物的前十階自振周期如表1所示，該建筑物的前三階振型圖分別如圖2所示。

從表1中可以得知，該框架建筑物的第一自振周期為0.982 4 s，隨著其階數的增加，建筑物的自振周期越來越接近。如圖2所示，框架建筑物的第一振型圖為橫向平動，第二振型圖為扭轉，第三振型圖為縱向平動。總的來說框架建筑物是以橫向平動為主。

2 建筑物加固前和加固后的地震響應研究

本文中建立該建筑物的兩個有限元分析模型，分別為加固前的有限元分析模型和加固后的有限元分析模型。加固前的分析模型即是在建筑物中未加阻尼器的分析模型。

2.1 樓層位移與層間剪切變形

將3條地震波(EL Centro波、阪神波、擬合人工波)按照8度設計地震強度與罕遇地震強度設計地震強度，加速度峰值分別為0.20g和0.40g。抗震設防標準調整加速度峰值分別為2 m/s2和4 m/s2。分別對加固前和加固后房屋框架結構進行動力時程分析。相應的時程分析結果如表2～表4所示，為加固前后在EL Centro波、阪神波、人工波作用下的地震響應結果比較。

表1 自振周期 s

表2 EL Centro波時加固前后對比 mm

表3 阪神波時加固前后對比 mm

表4 人工波時加固前后對比 mm

由表2～表4可知，該建筑物在EL Centro波、阪神波、人工波作用下，經阻尼器加固后的框架建筑物不論是中震還是大震，其樓層的平均位移以及平均層間變形量均有減小，大震時樓層平均位移以及平均層間的減少量比中震時的減少量大得多。層間位移變形從底層往上變形量逐漸變小。其中阪神波作用下建筑物樓層的位移最大，其次是EL Centro波，最小的是人工波。加固后樓層平均位移以及層間平均變形的減少量同樣是阪神波最大，其次是EL Centro波，最小的是人工波。說明采用阻尼器進行加固后，能大幅減少建筑物在地震中的位移，從而能大幅減少建筑物在地震作用下的響應。

2.2 基底剪力地震響應

將3條地震波(EL Centro波、阪神波、擬合人工波)按照8度設計地震強度與罕遇地震強度設計地震強度，加速度峰值分別為0.20g和0.40g。抗震設防標準調整加速度峰值分別為2 m/s2和4 m/s2。分別對加固前和加固后房屋框架結構進行動力時程分析。相應的時程分析結果如表5所示，為加固前后在EL Centro波、阪神波、人工波作用下的地震響應結果比較。

表5 基底剪力以及彎矩加固前后對比

由表5可知，該建筑物在EL Centro波、阪神波、人工波作用下，經阻尼器加固后的框架建筑物不論是中震還是大震其樓層的基底剪力和彎矩均有大幅度減小，大震時樓層基底剪力及基底彎矩的減少量比中震時的減少量大得多。其中EL Centro波作用下建筑物樓層基底剪力和基底彎矩的減少量是最大的，其次是人工波，最小的是阪神波。說明采用阻尼器進行加固后，能大幅減少建筑物的內力，從而能大幅減少建筑物在地震作用下的響應。

3 結語

1)使用阻尼器對建筑物進行加固后能大幅減少地震對建筑的作用。2)在建筑物中使用阻尼器加固后，在大震時能大幅減少建筑物層間變形和樓層位移。3)地震強度越大，使用阻尼器加固后建筑物地震響應的減少幅度越大。4)在建筑物中使用阻尼器加固后，在地震作用下能大幅減少建筑物基底剪力和彎矩的值。

[1] 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.

[2] 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.

[3] Saiful Islam,Johnny Kwok,Hui Wu.Seismic Retrofit of a Suspend Floor High-Rise Building Using an Energy Dissipation System.ATC-17-2 case studies.

[4] Ani N Sigaher, Constantinou M C.Scissor-Jack-Damper Energy Dissipation[J].Earthquake Spectra,Volume,2010,19(1):133-158.

[5] PekconG Mander J B, Chen S S.The Seismic Response of a 1∶ 3 Scale Model R.C.Structure with Elastomeric Spring Dampers[J].Earthquake Spectra,1995,11(2):249-267.

Study on architectural seismic response after reinforced with damper

Zhang Changfu Ling Xiaojuan Liu Yan Mao Xianghua

(XiamenShuxinConstructionGroupCo.,Ltd,Xiamen361000,China)

Taking a practical reinforcement project as engineering background. By finite element software SAP2000, analyzes building reinforcement before and after the earthquake response situation, after a mean displacement floor, interlaminar shear deformation, after building the base shear moment contrast can come damper on the influence of the building. Studies have shown that the use of the damper reinforcement after the earthquake the building can significantly reduce the displacement between floors and interlaminar shear deformation, but also can significantly reduce the internal forces building.

frame structure, earthquake response, damper, building reinforcement

1009-6825(2016)16-0040-02

2016-03-29

張長富(1973- )，男，工程師

TU352

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