基于阻尼比的混合減震結構效果研究

周連偉

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧大連116011）

基于阻尼比的混合減震結構效果研究

周連偉

（大連市市政設計研究院有限責任公司，遼寧大連116011）

運用SA P2000進行數值分析，對比了設置隔震支座、設置鋼阻尼器以及兩種裝置混合設置在一起結構的消能效果，并對層間剪力、結構頂點位移曲線等參數進行對比分析。結果表明，混合消能減震結構具有很好的消能效果，比設置單一消能構件的結構具有更加優越的減震效果，可以使目標建筑結構的抗震性能得到顯著提高。

減震結構；阻尼器；鉛芯橡膠支座；混合消能；時程分析

0 引言

我國部分區域屬地震多發地帶，由于客觀的實際需要，抗震技術得到了不斷的發展，并提出了不同的抗震技術方法。傳統的抗震技術屬于被動型，也就是完全依靠結構構件的剛度來抵抗地震，即所謂的“硬碰硬”的抗震方法。按照這種方法設計的建筑，抗震構件之間會發生裂縫，這些裂縫會消耗一部分能量，從而減少對建筑物的破壞。所以這種建筑在地震以后可能會引起建筑物梁、柱的破壞，甚至造成建筑物的倒塌。按照《建筑抗震設計規范》（G B 50011—2010）的要求，抗震設計的基本理念是“大震不倒、中震可修、小震不壞”，即建筑在遭受較小強度地震時，結構不允許發生任何破損，在遭受設防烈度的地震時，允許結構構件發生損壞，但在地震后經過適當的修復仍能正常使用，而當遭受到超過設防烈度的大地震時，建筑物內部損壞比較嚴重，結構無法修復，但要求盡量保證建筑物不倒塌、不傷人。但是，在實際的地震中房屋倒塌的現象一再出現，其結果是令人深思的。由于傳統技術方法的種種缺陷，發展出了隔震技術和消能減震技術。隔震技術是將過去“硬碰硬”的技術方法轉變為“以柔克剛”的方法，其是將建筑物的上部和基礎隔開。所謂的“基礎隔震”其實質就是在建筑物的底部與地基之間，增加適當的緩沖物，使得建筑物在受到地震波作用后的加速度反應大大減弱，同時讓建筑物的位移主要由隔震系統來承擔，從而使得建筑物在地震中產生相對較小的變形，以達到防護的目的。目前使用較多的基礎隔震元件有疊層橡膠支座、砂墊層隔震、石墨墊層隔震、摩擦滑移隔震等。消能減震技術是指運用各種阻尼器消耗地震輸入到結構中的能量。這些阻尼器可布置在結構的關鍵部位以保護主體結構。常用的阻尼器有位移相關型的、速度相關型的以及其他類型的。

隔震技術只具備隔離一部分水平地震的功能，對豎向的地震作用是沒有影響的，特別是對于高層和超高層結構，其隔震效果就更加不理想了。所以，本文探討了一種混合措施，即把隔震技術與消能減震技術聯合起來考慮。傳統的結構計算很多都假設結構的阻尼是一個常數，但研究表明并非如此。結構阻尼比是不斷變化的，并且很難判定，通常結構的阻尼比是隨著振型變化的，隨著振型的增加，阻尼比不斷增加。根據國內外隔震減震的理論研究和工程實際經驗[2-8]，本文以大連地區一棟框架結構為研究背景，基于SA P2000建立三維有限元模型，考慮振型阻尼比選，對比分析了各種工況下混合消能減震結構、阻尼器結構、隔震結構和無控結構的地震響應結果，驗證了混合消能結構具有良好的減震效果。

1 鋼阻尼器和鉛芯橡膠支座的力學模型

耗能減振裝置的力學模型是耗能減振結構的動力分析基礎，恢復力特性的數學模型主要分為兩類：一類是用復雜的數學公式予以描述的曲線型；另一類是分段線性化中的曲線型的力學模型，給出的剛度是連續變化的，與工程實際比較接近，但是計算比較復雜。目前廣泛使用的是折線型模型。金屬阻尼器通常采用的力學模型主要有理想彈塑性模型、雙線型模型、多曲線模型、W e n力學模型。本文鋼阻尼器所用的力學模型是基于1976年W e n提出的滯后行為。其中曲線型的力學模型給出的剛度是連續變化的，與工程實際比較接近，但是計算比較復雜。W e n力學模型的關系式為：式中：k為彈性彈簧常數；σy為屈服力；r為指定的屈服后剛度對彈性剛度k的比值；z為一個內部滯后變量，此變量范圍為|z|≤1，|z|=1，代表屈服面；e x p為等于或大于1的指數，此指數越大，屈服比率越陡，實際指數現值大約是20；等價于W e n模型A=1及α=β=0.5。

本文鉛芯隔震單元采用R ubb e r is oll a to r單元，設定兩個剪切自由度均為非線性，耦合的力-變形關系為：

式中：k2和k3為彈性彈簧系數；σy2和σy3為屈服力；r2和r3為屈服后剛度對彈性剛度（k2和k3）的比例。

2 工程實例

2.1 工程簡介

大連某11層建筑，建筑高度34 m，長31.5 m，寬16 m。建筑物所處地區地震烈度為7度，場地類型為Ⅱ類，設計地震分組為二組，特征周期為0.40 s，現擬通過安裝鋼阻尼器和隔震支座使目標結構的抗震能力提高。

2.2 阻尼器的參數

本文選用的阻尼器為圓孔型鋼阻尼器材料，采用50mm厚的Q235鋼材制成，屈服位移為ud1=2.2m，屈服力Fy1=375 k N,初始剛度Ka1=170.5 k N/mm。選用的鉛芯隔震支座的具體參數為：線性部分的有效剛度為1.99 k N/mm，有效阻尼為0，非線性部分的剛度為9.9 k N/mm，屈服力為90.2 k N，屈服后剛度比為0.154。阻尼器主要布置在結構底層框架上。施工過程中，在梁內預埋鋼板，軟鋼阻尼器采用坡角焊接形式與預埋鋼板焊接在一起，下端采用同樣的方法與水平鋼板焊接，并與鋼支撐相連。每一榀框架內，阻尼器均設在梁與支撐節點處，采用三片阻尼器疊放形式[10]，隔震支座通過安裝預埋鋼板于基礎和上部結構之間，形成柔性隔層，使基礎和上部結構斷開。

3 計算結果對比

3.1 模態分析

為了考慮振型變化對阻尼的影響，按照結構周期變化插值的方法來考慮該因素對阻尼的影響，并對比考慮阻尼比與不考慮阻尼比之間的差別。《建筑抗震設計規范》（G B 50011—2010）明確規定了結構振型參與質量不得小于0.9的比例。表1為無控結構模態分析給出的部分數據，這里只給出結構的前五階的振型數據。

表1 無控結構的模態分析數據

從表1可以看出，第一階為平動振型（U X+U Y＞R Z)且屬于X方向的平動振型，第二階振型為Y方向的平動振型，第三階則屬于繞Z軸的扭轉振型（U X+U Y＜R Z),并且當計算到第5階的時候，S u m U X、S u m U Y都大于0.9，滿足了規范對參與質量達到總質量的90%的要求。圖1為有控結構前幾階的振型圖。

圖1 無控結構的前四階振型圖

3.2 有控結構的模態分析

圖2從左到右分別為加設隔震支座、加設阻尼器和加設兩種裝置的模型圖，并分別對這三個模型進行了模態分析。表2為各結構的前三階周期。

圖2 結構模型圖

表2 各工況下結構的周期

對比表1和表2可以看出，加了隔震支座以后結構的自振周期明顯增大，但是加設阻尼器并不會太大改變結構的自振周期反而會略微減小結構的自振周期，這是因為阻尼器會加大結構的剛度，計算發現改變結構的阻尼比對結構周期的影響并不大。

3.3 各工況下的時程分析

多條地震波對比可以更全面地反應結構在不同情況下的地震響應，從而可以更加全面地考察結構在不同情況下的消能效果。根據《建筑抗震設計規范》（G B 50011-2010）第12.2.2條，一般情況下宜采用時程分析法進行計算，時程分析采用三組地震波：E L C e n t r o波、蘭州波、唐山波。三條地震波的時程曲線見圖3。

為了考慮阻尼比的影響，將對比分析分為兩組：一組為考慮阻尼比變化，一組為常阻尼的情況。限于篇幅這里只對比罕遇的地震工況。由于圖量較多這里只考慮各種地震波在7度罕遇下的工況。

從圖4可以看出，不論考慮不考慮阻尼，雙控結構都具有更好的控制結構層間剪力的作用，且隔震支座對層間剪力的控制相對于阻尼器來說更加具有優勢。從圖中可以看出阻尼比對層間剪力有比較大的影響，所以按常阻尼考慮結構的阻尼是不太合適的。結構的層位移可以很好地體現結構的消能效果，所以下面再以結構的頂點位移這個參數來考慮不同消能形式的消能效果。

圖3 三條地震波時程曲線

圖4 三條地震波下常阻尼與變阻尼的結構層間剪力對比圖

圖5 三條地震波下常阻尼與變阻尼的結構頂點位移對比圖

從圖5可以看出，在控制結構頂點水平位移方面，雙控結構相對于隔震結構，阻尼器結構顯然具有更加好的效果，與是否考慮結構的阻尼比沒有多大的關系。不論把結構的阻尼比看作是常阻尼還是變阻尼，其趨勢基本一致。另外，不同的地震波在同一個建筑上產生的效果，差距還是比較大的，所以考慮更多的地震情況顯然是有必要的。

4 結論

本文以大連某框架結構為研究背景，對比分析了各種工況下混合消能減震結構、阻尼器結構、隔震結構和無控結構的地震響應結果，得出以下結論：

（1）經分析可知，隔震-鋼阻尼器混合消能結構具有比隔震結構、阻尼器結構更加出色的減震能力，在E L C e n t r o波、蘭州波、唐山波作用下減震效果有所差異。考慮到地震作用的復雜性，所以應該盡量多取幾組符合結構所在場地地質特性的地震波進行時程分析，確保分析結果的可靠性。

（2）隔震阻尼器可以隔絕一部分輸入結構的地震能量，鋼阻尼器可以進一步消耗能量，并減少結構的位移，兩種阻尼器協同工作從而形成兩道防護，使結構更加安全穩定。

（3）阻尼比對結構分析是有影響的，合理地考慮結構阻尼比是混合結構等消能結構非常重要的一個環節，但是由于結構阻尼比的復雜性，我們往往不能正確計算出結構的阻尼比，所以這一方面有待進一步研究。

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T U973.3+1

A

1009-7716（2017）06-0250-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.074

2017-04-06

周連偉（1977-），男，遼寧大連人，高級工程師，碩士，主要從事橋隧、結構設計研究工作。