消能減震鋼結構在豎向地震作用下的抗震性能分析

余 龍

(滁州職業技術學院 建筑工程學院，安徽 滁州 239000)

隨著國內外學者對地震作用研究的不斷深入，豎向地震作用越來越被學術界及工程界重視﹒從以往地震的震害分析看，豎向地震對結構的破壞作用不可忽視，尤其在高烈度、近斷層區域，其對結構構件的影響更顯著[1-3]﹒在建筑結構抗震研究中，對于水平地震作用已有充分的研究，但對于豎向地震作用的研究則不足，鋼結構建筑在豎向地震作用下的抗震性能分析則更為稀少﹒本文通過對在豎向地震作用下，傳統鋼結構建筑與在設置粘滯型阻尼器條件下鋼結構的抗震性能進行數值分析，并提出了提高鋼結構建筑抗震性能的途徑，旨在為工程設計人員在鋼結構消能減震設計方面提供參考﹒

1 工程概況

該鋼結構建筑為某海港碼頭機械制樣樓，共 7 層，其中，底層高4 m；第6 層高4.7 m；其他層高3.5 m；屋頂為高1.1 m 雙坡屋面﹒該建筑標準層平面布置圖見圖1﹒該房屋抗震設防烈度為7 度(0.10 g)，設計地震分組為第3 組；場地類別為IV 類；結構中主要構件采用Q345B，其他次要構件材料為Q235B 鋼﹒結構恒載標準值：樓面1.0 kN/m2，屋面0.3 kN/m2；活載標準值：樓面2.0 kN/m2，屋面0.5 kN/m2﹒結構中鋼柱尺寸為H400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，主鋼梁尺寸為H400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，其他梁柱尺寸不再贅述，樓板采用厚度為9 mm 花紋鋼板﹒

2 計算分析

2.1 計算模型建立

采用有限元分析軟件SAP2000 建立機械制樣樓鋼結構分析模型(見圖2)及增設粘滯型阻尼 器消能減震結構分析模型，并對2 種結構模型進行數值分析﹒通過對數值分析的結果進行比較，來探究粘滯阻尼器對鋼結構在豎向地震作用下抗震性能的影響﹒

圖1 標準層平面布置

圖2 數值分析模型

在結構建模中，采用軟件中的框架截面屬性來定義結構中H 型鋼構件，采用薄殼屬性來定義花紋鋼板﹒為了便于數據分析，通過對結構中各層鋼板指定為隔板束縛來將各層鋼板設定為剛性樓板，同時對結構各層進行廣義位移設置，為層間位移輸出提供條件﹒結構中增設的粘滯阻尼器位于圖1 所示B 軸、D 軸上，采用對角斜支撐形式，設置于結構底部2 層結構中﹒在軟件中采用阻尼器(Damper)來模擬粘滯阻尼器﹒

2.2 數據分析

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)[4]規定，在抗震設防7 度罕遇地震作用下，進行時程分析時地震波加速度時程的最大值應取220 cm/s2﹒通過對地震波的加速度峰值按相應比例來調整，使計算中地震波加速度峰值達到7 度罕遇地震加速度要求[5]﹒地震波選用El Centro 地震波，通過軟件中荷載工況定義來設置對結構施加豎向地震作用﹒對粘滯阻尼器連接屬性設置為非線性屬，方向屬性設置為U3 分量，粘滯阻尼器非線性阻尼系數設置為5×105N·s/mm，阻尼指數為0.5﹒在對結構進行數值計算時，選用軟件中的快速非線性分析法(FNA)進行分析[6-8]﹒

2.2.1 結構模態分析

通過對2 種結構的模態分析數值進行比較可得，鋼結構在增設粘滯阻尼器后與原鋼結構在自振周期上計算結果一致，說明增設的粘滯阻尼器剛度對于原鋼結構主體無影響，可以忽略不計﹒同時對2 種結構計算了前12 階振型，可以看出2種結構的質量參數與系數累加值均已達到90%，符合現行規范要求﹒

2.2.2 樓層位移分析

對2 種結構施加豎向地震作用，通過數值計算可得結構各樓層的豎向位移值如圖3 所示﹒從圖中可看出，設置粘滯阻尼器的鋼結構較原結構在豎向位移上有著顯著的降低，較原結構降低幅度最大達11.3%﹒由于結構中第6 層層高增大，使得該樓層豎向位移產生突變，在工程設計中可對層高變化的樓層增設消能減震構件，降低樓層的地震反應﹒

圖3 樓層位移

2.2.3 樓層層間位移分析

表1 為2 種結構的樓層層間位移值﹒通過表1 可得消能減震結構較原結構在樓層層間位移上降低幅度最大可到16.4%，反映在鋼結構中設置粘滯阻尼器對結構在豎向地震作用下有著顯著的減震作用﹒同時可看出在地震作用下，結構的底層及樓層剛度突變處的層間位移降低幅度變小，說明這些樓層屬于結構薄弱區域，在設計中應充分考慮其構件的消能減震﹒

表1 樓層層間位移表 mm

2.2.4 粘滯阻尼器消能減震性能分析

圖4 為粘滯阻尼器滯回曲線，選取的粘滯阻尼器位于原結構底層型鋼鋼柱間﹒通過滯回曲線可看出粘滯阻尼器在豎向地震作用下有著顯著的消能減震作用﹒在粘滯阻尼器行程達到60 mm后，阻尼器雖仍有阻尼力的輸出，但需要更大行程來實現，這就要求設計人員在設置粘滯阻尼器時需要充分考慮阻尼器所能運行的最大行程﹒

圖4 粘滯阻尼器滯回曲線

3 結語

通過對分析結果進行比較可得，在豎向罕遇地震作用下增設的粘滯阻尼器對結構有著顯著的消能減震作用，粘滯阻尼器的滯回曲線飽滿，阻尼力輸出充分﹒樓層位移及樓層層間位移較原鋼結構均也有著較大幅度的降低，反映出設置粘滯阻尼器鋼結構的抗震性能得到顯著提高﹒同時在工程設計中，應注意結構薄弱層的阻尼器設置及阻尼器最大行程等參數的設計，且均應考慮工程實際情況﹒