阻尼器在框架結構中的優化布置分析

田子波 劉向軍

1. 東營市筑博建筑科技咨詢中心 山東 東營 257091；

2. 東營市建筑設計研究院 山東 東營 257091

在地震發生時，地震產生的地震能量會源源不斷地向建筑物傳輸能量，當建筑結構接受了大量的地震能量，必然要通過能量的相互轉換才能將能量傳輸出去結束振動。傳統的抗震體系就是增強建筑結構自身的抗震性能來抵抗地震對建筑物產生的影響。即增強結構構件的承載能力，在結構構件破壞過程中消耗地震能量。然而這種方式需要建筑結構產生塑性變形來消耗地震能量，建筑物會產生不同程度的破壞，由于地震的不可預測性和不可控制性，對建筑物的破壞程度也不同，當發生較強的地震時，建筑物產生較大程度的破壞，對人民的生命和財產產生較大的危害。

為了克服傳統抗震體系存在的不足，在建筑過程中結構消能體系逐漸發展起來，結構消能減震體系就是通過將結構構件的設計成消能桿件或者在建筑結構中加設消能裝置。當發生地震時，消能構件或者消能裝置會率先進入非彈性狀態，產生較大的阻尼，消耗建筑結構輸入的大量地震能量，減少地震能量對建筑物自身的破壞，確保建筑物在地震中的安全。

本文基于減隔震體系理論，對阻尼器布置在不同的位置進行彈塑性動力時程分析，并從結構的層間位移、層間剪力、地震周期等進行分析計算，綜合評價了阻尼器對框架結構動力特性的影響[1]。

1 建筑消能減震技術原理

結構中設置阻尼器的振動方程：

等式中的每一項均是影響抗震設計的一個內容，也對應著我們進行抗震設計時的一種手段。其中：M為結構質量；C結構阻尼；K結構剛度；為外部輸入的地震振

Mg(t)動。以上四個變量是影響結構地震響應的主要參數，從上式可以清晰地看出，常規抗震設計中，一般是從調節結構剛度入手。而使用消能減震技術，可以同時改變結構的剛度和阻尼，而阻尼的增加帶來地震力的減少并使得結構的剛度分布更加合理，有效地減少結構構件的尺寸，帶來結構剛度和質量的減少，進一步減少地震作用[2]。

2 結構模型及方案設計

2.1 結構模型

結構模型為總高度35.4m的10層鋼筋混凝土框架結構，結構平面示意圖如圖1所示，結構整體模型示意圖如圖2所示。邊跨7.2m，中間跨2.4m，間距8.4m；地下室一層標高3.3m,首層高4.0m，其余各層3.3m。梁、板混凝土強度等級為C30，柱混凝土強度等級為C40。邊柱截面尺寸為600×800mm,中柱截面尺寸為600×700mm。Y向框架梁截面尺寸為300×700mm，X向框架混凝土梁截面尺寸為400×700mm，次梁截面尺寸為200×550mm，標準層板厚為110mm，頂樓板厚為120mm。設計抗震信息分組為第三組，地震烈度為7度，場地類別為Ⅲ場地，設計基本地震加速度為0.1g[3]。

圖1 框架結構平面示意圖

2.2 方案設計

針對圖3結構模型所布置的阻尼器分別加載RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波（如圖4所示），分別記錄分析結構模型沒有加設阻尼器的層間位移，結構模型在樓層底部到中間層加設阻尼器的層間位移和結構模型逐層布置阻尼器的層間位移數據變化情況，對比分析出結構模型逐層布置阻尼器對建筑結構抗震減震設計具有較好的作用效果[4-6]。

圖3 結構模型阻尼器布置情況

圖4a RH1TG025人工波 圖4b TH1TG025天然波 圖4c TH052天然波

3 阻尼器對結構變形的影響

3.1 阻尼器對結構水平位移的影響

基于RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波對結構模型的影響得出結構變形的最大水平位移（如圖5所示），分析在不同地震中阻尼器的布置對結構最大水平位移的影響[7]。

圖5 在不同地震波下樓層的最大位移

根據上圖數據比較可以看出：

（1）當結構沒有布置阻尼器時，結構樓層最大位移比較大。

（2）當結構1到5層布置阻尼器時，結構各樓層最大位移相比沒有布置阻尼器的樓層最大位移減少很多，作用效果比較明顯。

（3）當結構逐層布置阻尼器時，結構樓層最大位移相比在1到5層布置阻尼器的樓層最大位移整體稍有減少，特別是在樓層上部，樓層最大位移減少相對較為明顯[8]。

3.2 阻尼器對結構層間位移角的影響

基于RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波對結構模型的影響得出結構變形的層間位移角（如圖6所示），分析在不同地震中阻尼器的布置對結構層間位移角的影響。

圖6 在不同地震波下樓層最大層間位移角

根據上圖數據比較可以看出：

（1）當結構沒有布置阻尼器時，結構樓層最大層間位移角比較大。

（2）當結構1到5層布置阻尼器時，結構各樓層最大層間位移角相比沒有布置阻尼器的樓層最大層間位移角減少很多，作用效果比較明顯。

（3）當結構逐層布置阻尼器時，結構樓層最大層間位移角相比在1到5層布置阻尼器的樓層最大層間位移角整體稍有減少，特別是在樓層上部，樓層最大層間位移角減少相對較為明顯[9]。

4 結束語

阻尼器的布置能夠有效地加強建筑結構減震抗震的能力，有效地減少建筑結構水平位移和層間位移角。當樓層未布置阻尼器時，樓層的位移較大，有時會出現最大位移超出相應的結構抗震規范數值；當只在結構底部布置阻尼器時，其建筑結構整體相對位移明顯減少，但其上部位移值相比逐層布置阻尼器時上部位移值略有偏大。隨著阻尼器布置層數的增多，結構上部樓層水平位移減少，建筑結構的最大水平位移和最大層間位移角隨著阻尼器布置層數的增加而減少。因此，在建筑結構當中布置阻尼器時，應該逐層布置，避免阻尼器布置不連續和中斷。

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