高層建筑結構消能減震新體系分析研究

方 鵬 唐格林

(1.廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530007； 2.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122)

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高層建筑結構消能減震新體系分析研究

方 鵬1唐格林2

(1.廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530007； 2.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122)

通過分析消能減震機理，探討了消能減震結構的減震設計要點，通過計算，對設置消能減震構件的某高層建筑框架結構進行強震作用下的地震反應分析，指出采用消能減震結構體系是減少共振反應，確保結構安全的有效途徑。

消能減震，框架結構，地震反應，抗震設計

我國幅員遼闊，約有70%的大中型城市處于地震區，建筑物集中、規模大，發生強震時容易造成巨大的損失。這就要求有一種安全、有效、經濟的結構減震體系，以確保突發強震時建構物的安全，有效減輕震害，是對目前國家工程建設領域的迫切要求。傳統的抗震設計方法沒有考慮到結構的動力特性，而是通過加強結構，增強結構主體構件的強度和剛度(截面及配筋)來抵抗地震作用，即通過結構體自身來抵抗消耗地震傳輸的能量。這種抗震設計方法存在安全性難以保證、實用性有限和經濟性欠佳的缺點[1]。因此有必要尋找一種安全、適用又經濟的“工程結構減震控制”新體系。本文將對傳統體系與設置了消能減震的新抗震體系做出對比分析，結合算例來驗證消能減震新體系對結構振動的控制，總結其在結構減震控制中的優越性及實用性。

1 消能減震技術的基本理論

1.1 消能減震新體系工作原理

結構消能減震新體系，是基于結構動力理論基礎，適用于不同烈度、不同結構類型的新抗震設計方法。它在結構的某些變剛度等節點處設置消能裝置，增加結構物延性，來抵抗和消耗地震作用。這些消能裝置，在遭遇較小烈度地震時，能充分利用結構自身初始剛度抵抗地震效應，而自身則保留了較大的耗能空間。當遭遇中、強地震作用時，結構自身剛度變形能抵抗一部分地震能量，而此時消能裝置將進入工作狀態，產生較大阻尼，迅速衰減結構動力反應，避免主體結構變形繼續增大而破壞。結合地震時結構能量轉換過程來看，若為傳統結構，輸入結構物的地震能量，由結構振動的動能及勢能部分消耗所占比例很小(通常只有5%)，而主要由結構阻尼及結構變形來承受；若為消能減震新體系，其能量將大部分被消能裝置逐漸耗散，避免結構依靠變形耗能而破壞[2]。

1.2 傳統高層建筑抗震設計方法存在的問題

傳統抗震體系的高層建筑結構在遭遇地震作用時，由于基礎的“放大作用”，地震反應由下而上逐層放大，當結構物某部分的地震反應(加速度，速度或位移)過大時，不僅會造成主體結構的破壞，還會引起一系列的次生災害：首先，傳統結構抗震體系將既定的設防烈度或水準作為設計依據，超強地震的隨機性難以預測，結構破壞難以控制，安全性難以保證；其次，傳統結構抗震體系缺乏延性設計而主要依靠結構體自身來抵抗，能量耗散度低，容易引起結構內部設備或附屬系統的損壞，適用性有限；再次，傳統結構抗震體系通過加強結構構件的“硬抗”方式來抵抗，這樣反而會加大地震作用效應的不良后果，也浪費材料，經濟性欠佳。

1.3 消能減震新體系與傳統抗震體系對比分析

表1給出消能減震新技術與傳統抗震技術的對比情況。

表1 傳統抗震技術與消能減震新技術對比表

以增加結構阻尼為主的消能減震控制技術是一種有效、安全、經濟的減震耗能方法，它屬于減震控制中的被動控制，它可以對耐震性能不足的工程結構物進行加固，以滿足抗震性能的要求，應用范圍更廣[3]。

2 消能減震結構設計要點

結構消能減震的實質是通過在結構內設置消能構件(或裝置)，通過增加結構阻尼，消耗輸入結構體能量，有效衰減結構的地震反應。消能減震體系按其消能裝置的不同，可分為兩類:1)消能構件減震體系，利用結構的非承重構件作為消能裝置的結構減震體系，其混凝土的接觸面可以用填充粘性材料或用鋼筋連接，在強震時，會出現非彈性的縫面錯動，產生阻尼，以消耗地震能量。2)阻尼器消能減震體系，在梁柱節點等位置裝設阻尼器。強震時，結構的這些部位會發生較大變形，使設置在該部位的阻尼器能有效地消耗地震動能量[4]。本文所采用的消能減震體系為阻尼器消能減震體系。消能減震結構應根據罕遇地震作用下的預期結構位移控制要求，設置適當的消能部件。其消能部件可由阻尼器及斜撐、墻體、梁或節點等支承構件組成。消能部件按其構造形式可分為消能支撐、消能節點和消能聯結等[5]。

3 設計算例

1)結構基本情況。一幢11層現澆鋼筋混凝土框架結構的高層建筑，2跨、5開間,跨度及開間為6 m，中間開間為2.4 m。底層層高4.2 m，2層～11層層高3.6 m，按8度設防，近震，建筑場地為Ⅱ類場地。本算例利用SAP2000對該建筑框架結構進行建模，主要設置消能支撐在中跨。2)兩種結構非線性時程比較分析。為了對比傳統抗震設計與消能減震設計在強震作用下的結構反應，導入El-Centro波，持續時間30 s。先計算分析未設置消能支撐構件的框架結構，提取各樓層的最大加速度和最大位移時程曲線，提取底層和頂層的加速度時程數據，擬合成加速度時程曲線；再提取底層和頂層的位移時程數據，擬合成位移時程曲線，分別如圖1所示。對框架結構的橫向中間跨處加消能減震支撐，設置粘滯阻尼單元于交叉點；同理在縱向中間跨中設置消能支撐。分析得到其加速度時程曲線和位移時程曲線，如圖2所示。

對比分析上述時程曲線，可知，加消能支撐后，框架結構的頂層(加速度和位移)反應峰值比無消能支撐(純框架)結構明顯降低，而且結構時程反應曲線顯示，其不僅降低了地震作用，而且有消能構件的結構比傳統的純框架結構的衰減情況明顯加快。在兩組結構分析結束后，分別提取了時程中傳統抗震設計中未加消能支

撐的純框架及消能支撐結構的各層最大位移和最大加速度，列于表2中。

表2 傳統抗震結構與設置消能支撐框架結構對比表

通過對比，再次證明：設置了消能支撐的框架結構，在大震情況下，比未設置消能構件的純框架，其地震反應(位移和加速度)明顯衰減，作為第一道防線的消能構件，有效的保護了主體結構，達到了較好的抗震效果。

4 結語

本文比較了傳統抗震設計未設置消能構件的純框架結構和設置了消能構件的框架結構，在強震作用下的地震反應，初步可以得出以下結論：1)結構的地震反應隨著樓層的增高而逐漸加大，在高層結構中設置的消能構件或消能裝置，為結構體系提供了較大的阻尼從而大幅度的消耗地震作用，而且有效避免結構主體及內部裝置損害。阻尼作為影響結構共振反應的主導因素，通過改變阻尼比，可以有效抑制結構動力作用的放大效應，避免出現結構的共振反應。采用消能減震結構體系，已成為減少共振反應確保結構安全的有效途徑。2)在高層建筑中設置消能構件，并不作為主體承重結構，而是讓其作為第一道抗震防線來耗能，能有效保護主體結構。因此，在高層建筑中設置消能構件可以做到“大震可修”。 3)強震時主體結構的剛度和阻尼都有所變化，耗能過程及反應是一個復雜的非線性問題，需要配合采用數值模擬及試驗方法將控制參數確定在適當范圍內，以便于合理地確定消能支撐的有效布置。

[1] 沈蒲生.高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 林新陽，周福霖.消能減震的基本原理和實際應用[J].世界地震工程,2002(3)：58-60.

[3] 陳廷君.消能減震結構設計方法的比較研究[D].上海:同濟大學碩士學位論文，2008.

[4] 吳澤厚，周福霖.消能減震建筑結構的計算分析[J].重慶建筑大學學報,2002(15)：168-171.

[5] 俞英娜，黃 艷.阻尼器在消能減震結構中的應用[J].吉林建筑工程學院學報，2010(23)：203-205.

On analysis of energy dissipation and seismic reduction system of high-rise architectural structure

Fang Peng1Tang Gelin2

(1.GuangxiPolytechnicofConstruction,Nanning530007,China; 2.CISDIEngineeringCo.,LtdofMCC,Chongqing401122,China)

The paper analyzes the mechanism for the energy dissipation and seismic reduction system, explores the seismic reduction design of the structures, undertakes the seismic response analysis of some high-rise framework structure under intense earthquakes by allocating the energy dissipation and seismic reduction components in the calculation, and points out the system can reduce the resonant reaction and ensure the effective channels for the structural safety.

energy dissipation and seismic reduction, frame structure, earthquake effect, seismic design

1009-6825(2016)11-0046-02

2016-01-23

方 鵬(1985- )，男，碩士; 唐格林(1986- )，男，工程師

TU352

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