摩擦阻尼器在框架結構平面中合理布置分析

張敏 汪東卓

摘 要：針對摩擦阻尼器在框架結構平面中合理布置進行分析.針對橫向地震作用下摩擦阻尼器在空間框架結構中的5種布置形式，對摩擦阻尼器在框架結構樓層中合理布置進行了地震反應分析，研究了框架結構的樓層最大側移、層間最大位移角和各榀框架頂部最大側移.結果表明：在平面對稱結構中，各種對稱布置摩擦阻尼器的方式，其減震效果基本相同，且減震效果較顯著；而非對稱布置摩擦阻尼器的框架結構會產生不同程度的扭轉效應，其減震效果較差，且地震反應甚至會超過相應抗震結構.因而阻尼器在結構中布置應盡量使結構剛度中心和質量中心重合，不宜使結構剛度中心和質量中心偏差加大.

關鍵詞：阻尼器；摩擦；框架；地震；有限元

中圖分類號：TU311 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.003

0 引言1

地震是一種自然現象，地震的發生有很大的隨機性，地震在瞬間就能使地面的建筑物造成破壞，并可能引發火災、疾病等衍生災害，對人類社會造成了巨大的影響.

針對這種突發性、隨機性的自然災害，不少專家學者相繼提出采用結構抗震和結構減震控制等方法進行抵抗.傳統的建筑結構是通過增強結構本身的屬性（強度、剛度、延性）來抵抗和消耗地震作用，耗能減震體系是在結構中增加減震裝置，由減震裝置和建筑結構共同耗散地震作用，并且大量的地震能量由減震裝置承受，達到減輕建筑結構自身損傷的目的[1-2].摩擦阻尼器是一種性價比較高的減震裝置，該裝置價格便宜，制作方便，能較好地耗散地震和風荷載中的能量，進而保證在地震作用下建筑結構的安全性和使用性[3].

國內外很多學者對結構中設置摩擦阻尼器和其他阻尼器耗能體系的地震響應進行了相關研究.1987年Pall摩擦阻尼器（嵌入制動摩擦墊塊）在循環荷載作用下的試驗研究結果表明[4]：該耗能器的工作性能穩定（50次循環加載基本上不出現退化現象），耗散能力強，其滯回曲線接近理想矩形.彭凌云等[5]提出一種擬線性摩擦阻尼器，經過實驗數據和理論數值模擬結果表明：該阻尼器具有與位移量有關聯的線性滯回阻尼的基本特征，基于彈性力學給出的近似計算公式能夠反映試驗得到的阻尼器滯回特點，可以用于阻尼器的初步設計. Kazutaka等[6]對摩擦阻尼器的阻尼力和位移因變量特性進行研究后發現：摩擦阻尼能展現目標特征、性能穩定，在循環載荷下具備高耐久能力，安裝阻尼器的高層建筑在長期抗震中是非常理想的.朱軍強等[7]通過壓電陶瓷的壓電反應，研發出一種基于半主動控制的新型壓電摩擦阻尼器，在不同的電壓情況下，由 ABAQUS有限元軟件進行動力時程分析，解出此阻尼器的滯回曲線，為其工程應用提供理論依據.胡強等[8]對方鋼管鉛芯阻尼器進行力學和有限元分析，探討其阻尼器的抗震性能.李創第等[9]對設置粘彈阻尼器的基礎隔震結構進行平穩響應分析，通過復模態法分析得到其結構的位移反應和加速度反應，進而討論其耗能能力.馬真迪[10]通過有限元軟件對波紋型、光滑型兩種摩擦阻尼器分別進行動力時程分析，通過摩擦系數等效轉化的方案，將等效的摩擦系數輸入到 MIDAS建立的框架模型中，獲得波紋摩擦阻尼器的抗震性能.周圓兀等[11]通過力的等效處理和解耦法分析了粘滯阻尼耗能結構的地震反應，驗證了其方法準確性較高.張海龍等[12]在結構上附加 T型摩擦阻耗能減震裝置，在罕見地震作用下進行動力分析，并應用 SAP2000軟件對比分析得到該結構的位移和內力反應差距，驗證了在高層鋼框架結構中設置T形芯板摩擦阻尼器具有良好的耗能減震作用.孫飛飛等[13]提出了一種適用于多層框架結構的新型摩擦消能減震樓梯及其構造形式. 針對所采用阻尼器布置方式，提出并驗證了梯段板等效四平行桿模型；認為采用剛接方法計算樓梯內阻尼器附加阻尼比結果更準確，且計算量較小，可供設計人員參考.

上述研究主要針對地震作用下阻尼器對單榀框架的減震效果，但任何建筑都是空間結構，阻尼器在空間結構中的減震效果與阻尼器在空間結構平面布置有關，阻尼器在空間結構平面內如何分布，這對結構地震反應有直接影響.因此，本文針對摩擦阻尼器在框架結構平面內的平面分布進行分析，研究該阻尼器在框架平面內對稱分布和非對稱分布的地震反應，得出各阻尼器在結構平面內的合理布置原則，從而為該消能減震結構的合理設計提供參考.

本文針對單向地震作用下，摩擦阻尼器在框架結構平面內分別采用3種對稱布置、2種非對稱布置方案進行地震反應分析，以樓層最大位移和各樓層的層間最大位移角作為衡量依據，通過SAP2000有限元軟件進行模擬分析，討論阻尼器分別采用該5種布置方案對建筑結構的減震效果，從而得出阻尼器在空間框架結構平面內的合理布置方案及合理布置原則.

1 摩擦阻尼器參數確定

1.1 摩擦阻尼器形式

本結構采用的摩擦阻尼器為摩擦剪切耗能器，如圖1所示.當框架側移時，摩擦阻尼器上、下水平板間的滑動量與樓層層間側移相同.

1.2 摩擦阻尼器的作用力

2 工程算例

該算例為一棟鋼筋混凝土框架結構的建筑物，建筑物總高度為34.2 m，共10層，首層高度為4.5 m，其余各層高度均為3.3 m；該建筑物抗震設防烈度為8度（0.3 g），地震分組為第二組，設防類別丙類；梁板柱混凝土強度等級均為C30；樓屋面恒載標準值為10 kN/m2，樓屋面活載標準值為2 kN/m2；梁截面尺寸為300 mm×650 mm，柱截面尺寸600 mm×750 mm，板厚為100 mm；框架模型的平面布置如圖2所示.

通過SAP2000建模分析得：結構橫向自振周期T1=1.318 s；T2=0.428 s；T3=0.240 s.單向地震作用下，對布置摩擦阻尼器的不同工況下的框架結構進行分析，結構分別沿橫向按圖3（b）—圖3（f）布置摩擦阻尼器.圖中各方案每個樓層的總滑動摩擦力均相等，每層阻尼器總滑動摩擦力f均為700 kN.

本文分別考慮4類場地的地震波，即：Ⅰ類場地OROVILLE波、Ⅱ類場地El-Centro波、Ⅲ類場地HOLLYWOOD STORAGE波、Ⅳ類場地天津波.根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[14]，各地震波的加速度峰值均為110 gal.

3 單向地震作用阻尼器布置

在平面對稱的框架結構中，在橫向地震作用下，考慮以下阻尼器對稱布置3種方案，和阻尼器非對稱布置2種方案，分別對其進行地震反應分析，如圖3所示.

圖3（b）、圖3（c）、圖3（d）代表在框架結構中對稱布置摩擦阻尼器，圖3（e）、圖3（f）代表在框架結構中非對稱布置摩擦阻尼器.

圖3中括號中數字如（1-3），表示建筑結構中均勻布置摩擦阻尼器的層數是從第一層至第三層，其他括號內數字同理.

4 結構樓層地震響應

采用SAP2000軟件建模分析，其中當阻尼器兩端相對速度不為0時，摩擦阻尼器阻尼力采用下列分析模型：

4.1 樓層最大側移

分析表明：

1）在平面對稱框架結構分別按圖3（b）、圖3（c）和圖3（d） 對稱布置摩擦阻尼器的方案下，結構各樓層最大位移反應相對抗震結構（無阻尼）均顯著減小，并且各方案減震效果基本一致.由此得出，阻尼器在建筑結構中對稱布置時，能極大減小建筑結構的地震反應，且減震效果基本相同.

2）在圖3（e）摩擦阻尼器布置方案下，同圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）對稱布置方案相比較，減震效果有所差距，這是因為建筑結構中的阻尼器布置方式不對稱，從而使建筑結構產生了扭轉效應，進而增大了樓層最大位移，因此減震效果減弱.

3）在圖3（f）摩擦阻尼器布置方案下，即阻尼器僅布置在結構一側，阻尼器的非對稱程度增大，從而使結構的扭轉程度增大，進而較大地減弱了結構的減震效果，甚至其地震響應超出了相應的抗震結構.

因此，在平面對稱框架結構中摩擦阻尼器不宜非對稱布置，尤其是阻尼器嚴重不對稱布置更應避免.

4.2 各榀框架頂層水平位移分布

在橫向地震作用下，圖5中的所有布置方案各榀框架頂層水平位移結果見下圖所示.其中，0刻度水平線以上表示建筑結構在地震作用下的正向橫向位移，用實線表示；0刻度水平線以下表示建筑結構在地震作用下的反向橫向位移，用虛線表示.

以上分析表明布置方案e（圖3（f））的結構頂層樓層側移沿平面位置變化較大，這是由于結構按照非對稱方案布置摩擦阻尼器，結構在地震作用下發生了扭轉，故其地震反應頂層側移沿平面位置分布不均勻，這對結構抗震不利.

4.3 樓層層間最大位移角

圖6可見：

1）在圖3（b）、圖3（c）和圖3（d）摩擦阻尼器對稱布置方案下，其層間最大位移角相對相應抗震結構顯著減小，具有較好的減震效果；且此3種對稱布置方案的減震能力基本相同.由此可見，對稱布置阻尼器的建筑結構的減震效果基本相同.

2）在圖3（e）摩擦阻尼器布置方案下，其層間最大位移角相比于前3種布置方案減震效果較弱，這是由于阻尼器非對稱布置時，產生了扭轉效應，減弱了減震效果.

3）在圖3（f）摩擦阻尼器布置方案下，即阻尼器僅布置在結構右側，相比于前4種布置方案，其扭轉程度增大，減震效果更差，甚至地震反應超過了相應抗震結構.

故平面對稱結構在布置摩擦阻尼器時，應當避免阻尼器非對稱布置方案.

5 布置方案d和方案e結構A軸、G軸框架頂層位移時程曲線

由圖7、圖8可見，阻尼器不對稱布置時，各結構頂層位移時程曲線不一致，表明結構存在扭轉效應.

6 布置方案d和方案e頂層扭轉時程曲線

由圖9、圖10可見，阻尼器布置越不對稱，結構扭轉程度越大.

7 結論

1）單向地震作用，相對于傳統的抗震結構，平面對稱的建筑結構在摩擦阻尼器對稱布置方案a、方案b、方案c下，結構各樓層最大位移和層間最大位移角相均顯著減小，能較好地抵抗、消耗地震能量，并且減震效果基本相同.因此，對于平面對稱的框架結構，阻尼器在結構平面內宜對稱布置，且只要樓層阻尼器的總阻尼不變，不論阻尼器采用何種對稱布置方案，結構地震反應和減震效果就基本相同.由此可在實際工程中根據建筑和使用需要，合理調整阻尼器的平面布置位置.

2）單向地震作用，平面對稱的建筑結構在摩擦阻尼器非對稱布置方案d、方案e下，相對于對稱布置方案a、方案b、方案c，其減震效果減弱，這是由于在地震作用下非對稱布置阻尼器時框架結構產生了扭轉效應，并且隨著非對稱程度的增大，結構扭轉程度增大，減震效果逐步變差，甚至超過無阻尼結構的地震作用.故在工程設計中，平面對稱結構布置阻尼時，應避免非對稱布置方式.因此，阻尼器在結構中平面布置時，應盡量使結構剛度中心和質量中心重合，不宜使結構剛度中心和質量中心偏差加大.

參考文獻

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