粘滯阻尼墻用于裝配式斜支撐節點鋼框架結構減震研究

胡 倩 劉天洋

（武漢華夏理工學院 土木建筑工程學院 430223）

0 引言

裝配式鋼結構建筑具有工業化程度高，節能、綠色等優點[1-2]，發展裝配式鋼結構符合我國 “積極推廣綠色建筑和建材，大力發展鋼結構和裝配式建筑，提高建筑工程標準和質量”的方針策略。裝配式斜支撐節點鋼框架結構是一種新型鋼結構體系，此結構體系突破了鋼結構體系只適用于多層建筑的限制，實現了向高層建筑的發展。由于裝配式斜支撐節點鋼框架結構中斜撐的作用，提高結構剛度的同時使其延性降低，因此非常有必要對這種新型結構體系進行減震性能分析。

粘滯阻尼墻是像墻體一樣安裝在結構中的新型粘滯阻尼裝置，通過墻體內的粘滯液體發生剪切吸收地震能量，具有較大的阻尼力、消耗能力強、運用廣泛等優點，多適用于多高層建筑的消能減震。本文通過建立裝配式斜支撐節點鋼框架有限元分析模型，對比分析未安裝粘滯阻尼墻和安裝粘滯阻墻結構的地震效應。

1 工程實例

該工程為 21 層結構建筑，對結構建模分析時，為減少計算結果受結構不規則的影響，使結構布置更加合理化，簡化了結構的實際平面圖，結構橫縱都為6跨，長為23.4m，層高為3.3m，結構從下往上均分為3段，每段7層，各樓結構基本一致。

2 計算分析

2.1 模態分析

在SAP2000建模時，結構使用線單元模型分析，柱與斜支撐和撐腳以及梁與柱之間為剛性連接，柱與地面之間為剛性連接。桁架梁上、下弦為兩段連續的壓彎構件，腹桿與梁之間的連接為鉸接。

對有限元模型進行模態分析，得到結構的振型和自振周期。第1階振型為Y方向整體平動，第2階振型為X方向整體平動，第3階振型為整體扭轉；計算分析前30階振型質量參與系數X、Y、Z方向分別為96.4%、95.8%、99.2%大于等于90%，結果符合設計規范的要求；結構的基本自振周期 3.01s，符合 GB50009-2012《建筑結構荷載規范》規定：T1= (0.10 ～ 0.15)n=（0.21～0.315）； (T1為建筑結構的基本自振周期，n 為建筑總層數)。前3階自振周期如表1所示。

表1 結構自振周期/s

2.2 不同布置方案下粘滯阻尼墻的減震性能研究

本文粘滯阻尼墻模型是通過將多個粘滯阻尼器串聯建立起來，通過設置粘滯阻尼墻在不增加結構剛度的前提下加大結構阻尼。阻尼墻布置在結構的四個邊角處，為了對比分析粘滯阻尼墻在不同布置工況下的減震效果，將21層裝配式斜支撐鋼框架結構分為3段，每段7層采用3種不同的布置工況。

工況一：第一段（1～7層）布置共56片粘滯阻尼墻。

工況二：第一段和第二段（1～14層）布置共112片粘滯阻尼墻。

工況三：全部樓層布置共168片粘滯阻尼墻。

對裝配式斜支撐節點鋼框架建筑進行非線性時程模態分析得到軸力最大桿件，將此桿件和頂層最大位移作為評價對象，研究粘滯阻尼墻對裝配式斜支撐鋼框架的減震效果。對原結構以及三種工況分別輸入 EL-centro波進行非線性時程分析，數據如表2所示。

對比工況一、工況二和工況三，阻尼墻數量越多，減震控制效果越好；工況二從底層開始連續布置 2 /3樓層阻尼墻在保證減震效果的前提下具有更好的經濟效益。

2.3 不同地震波作用下設置粘滯阻尼墻的減震性能研究

為了驗證粘滯阻尼墻在裝配式斜支撐框架結構中的減震性能，現在選取 三條波，分別是蘭州波1（人工波）、EL-centro波（天然波）和 Taft 波 2 （天然波），取這三條波的前30s分別輸入原始結構、工況一結構、工況二結構和工況三結構。由上述分析可知結構的動力性能在X向和Y向比較接近，故本文僅以結構X 向頂層位移最大值和結構的最大層間位移做對比分析。數據如表3所示。

表2 不同工況下結構響應

表3 3種地震波作用下結構響應

通過對比表3，工況一從底層開始連續布置 1 /3樓層阻尼墻，X 向頂層位移最大值減小幅度為12.4%～22.7%；工況二從底層開始連續布置 2 /3樓層阻尼墻，X 向頂層位移最大值減小幅度為45.8%～56%；工況三從底層開始到頂層連續布置阻尼墻，X 向頂層位移最大值減小幅度為61.6%～64.7%。可見設置粘滯阻尼墻后，結構的頂層最大位移都顯著降低，可見阻尼墻具有很好的減震性能。

無控制結構方案中在三種地震波的作用下最大層間位移角限值均不滿足《高層民用建筑鋼結構技術規程》要求，規程中規定高層建筑鋼結構的層間側移標準值，不得超過結構層高的1/250。

工況一下結構的最大層間位移明顯降低，但是在EL-centro波作用下的位移角限值依然不滿足規范要求。

工況二和工況三減震效果接近，但是相比工況一減震效果比較顯著，在三種地震波的作用下最大層間位移角限值均滿足規范要求。

3 結論

1.裝配式斜支撐節點鋼框架在設置粘滯阻尼墻后，結構的頂層最大位移和結構的最大軸力均顯著降低，可見粘滯阻尼墻可以有效的提高結構的抗震性能。

2.輸入不同地震波研究粘滯阻尼墻的減震性能可以看出，在不同地震波作用情況下，減震效果都比較顯著，說明阻尼墻的減震性能受地震波類別影響不大。

3.通過三種工況對比分析可以看出，阻尼墻布置數量越多，其的減震效果越明顯；工況二的減震效果明顯優于工況一，但是繼續增加阻尼墻的布置數量，工況三的減震效果較工況二變化不大；結合經濟效益，可見工況二布置方案下的結構減震性能最優。