某高層剪力墻結構消能減震性能分析

王旭明

摘 要：為研究消能減震技術對剪力墻結構的抗震效果，以某市某高層剪力墻住宅作為工程背景，通過有限元軟件ETABS建立原結構和設有黏滯阻尼器的減震結構，并進行時程分析。分析結果表明：無論是在多遇地震下還是罕遇地震下，設有黏滯阻尼器的減震結構在層間剪力和層間位移角方面都明顯減小，從而有效減小了地震力對結構的破壞。

關鍵詞：剪力墻結構;消能減震技術;黏滯阻尼器;非線性時程分析

Abstract： In order to study the seismic effect of energy dissipation and shock absorption technology on the shear wall structure， the original structure and the shock absorption structure with viscous damper were established by ETABS finite element software with a high-rise shear-wall residence in a city as the engineering background， and the time- history analysis was carried out. The analysis results show that the shear force and displacement Angle between layers of the structure with viscous damper are obviously reduced under both frequent and rare earthquakes， thus effectively reducing the damage of the structure caused by seismic force.

Keywords： shear wall structure; energy dissipation and shock absorption technology; viscous dampers; time-nonlinear time history analysis

我國處于地震頻發帶，發生地震時，建筑物往往會遭到較大破壞。改革開放以來，伴隨著經濟的不斷發展，高層建筑物獲得了廣闊的發展空間。剪力墻結構是高層建筑物首選的結構形式之一。隨著消能減震技術在我國的發展，無論是在醫院、機場等重要建筑物還是住宅建筑物中，剪力墻結構的應用都越來越多。消能減震技術往往是在結構適合的部位設置耗能裝置，通過該裝置產生摩擦、彎曲（或剪切、扭轉）、彈塑性（或黏彈性）滯回變形來耗散地震輸入的能量，從而避免重要結構主體構件產生破壞或者結構發生坍塌[1]。在剪力墻結構中采用消能減震技術可以彌補結構薄弱部位的不足，達到提高抗震效果的目的。許多學者對高層剪力墻結構有關消能減震技術的抗震效果進行了一系列試驗與研究。例如，安海玉等對黏滯阻尼墻在高層剪力墻中的應用進行了研究[2];錢輝、徐建等提出了一種兼具自復位和耗能功能的新型自復位耗能連梁[3]。

本文對某市高層剪力墻結構進行消能減震設計。通過黏滯阻尼器的合理布置和設計，分別在多遇地震和罕遇地震下對原結構和減震結構進行了非線性時程分析，分析研究黏滯阻尼器剪力墻結構的抗震效果，從而為工程設計提供指導和依據。

1 工程概況

工程為某市高層剪力墻住宅，建筑地上共有16層，每層層高均為2.9 m。所在地區抗震設防烈度為7度，設計地震基本加速度為0.15[g]，設計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s。

2 結構減震設計

2.1 結構模型建立

工程通過ETABS建立原結構有限元模型進行分析，在其已有的原結構模型（如圖1所示）中合理布置黏滯阻尼器進行非線性時程分析，并與原結構進行對比分析。

2.2 阻尼器的布置方案

阻尼器布置應遵循“四周、均勻、分散、對稱”的原則。黏滯阻尼器布置如下：X方向每層布置8個，Y方向每層布置4個，每層的布置方式相同，共布置192個黏滯阻尼器。設有黏滯阻尼器的減震結構模型，如圖2所示。

2.3 地震波的選取

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）[4]以及工程規范的要求選取3條地震波，其中天然波1（TH3TG045）、天然波2（TH124TGO45）和1條人工波（RH2TGO45）。本文主要針對天然波1進行分析。

3 基于ETABS的減震分析

基于ETABS采用非線性時程分析法對原結構及減震結構進行分析。地震波采用X方向輸入，多遇地震下的加速度值為0.45 g，罕遇地震下的加速度值為0.50 g。

3.1 原結構動力特性分析

通過ETABS對原結構進行非線性時程分析，得到其結構（X方向）在多遇和罕遇地震下的層間位移角、層間剪力，如表1所示。

根據規范可知，剪力墻結構在多遇地震下的層間位移角限值是0.001 25 rad，在罕遇地震下的層間位移角的限值是0.010 00 rad[4]。從表1可知，原結構的層間位移角符合規定[5]。

3.2 減震結構動力特性分析

為了進一步提高結構的抗震性能，通過ETABS建立設有黏滯阻尼器的減震模型并進行非線性時程分析，并在多遇地震和罕遇地震下與原結構進行對比分析[6]。

3.2.1 多遇地震下的反應分析。原結構在多遇地震下的最大層間位移角和最小層間位移角分別是0.001 01 rad和0.000 30 rad，最大值出現在第6層;最大層間剪力也出現在第6層為80.455 kN，最小層間剪力出現在第16層為18.697 kN。設有黏滯阻尼器的減震結構在多遇地震下的最大層間位移角和最小層間位移角分別是0.000 89 rad和0.000 27 rad，最大值出現在第5層;最大層間剪力和最小層間剪力分別出現在第6層和第16層，大小分別為70.869 kN和16.846 kN。從圖3和圖4可以看出，無論是原結構還是設有黏滯阻尼器的減震結構，層間位移角和層間剪力都是從第1層逐漸增大，在5層或6層達到最大值，之后逐漸減小。但是，設有黏滯阻尼器的減震結構的層間位移角和層間剪力明顯要小于原結構，可知設有黏滯阻尼器的減震結構要比原結構更加穩定，抵御地震力的能力更強[7]。

3.2.2 罕遇地震反應分析。原結構在罕遇地震下的最大層間位移角和最小層間位移角分別是0.005 68 rad和0.001 72 rad，分別出現在第5層和第16層;最大層間剪力出現在第6層為453.405 kN，最小層間剪力出現在16層為105.365 kN。而加有阻尼器的減震結構在罕遇地震下的最大層間位移角和最小層間位移角分別是0.005 03 rad和0.001 54 rad，最大值也出現在第5層;最大層間剪力和最小層間剪力分別出現在第6層和第16層，大小為399.372 kN和94.938 kN。從圖5和圖6可以看出，無論是原結構還是設有黏滯阻尼器的減震結構，層間位移角和層間剪力都是從第1層逐漸增大，在5層或6層達到最大值，之后逐漸減小。計算設有黏滯阻尼器的減震結構的最大層間位移角和最大層間剪力是原結構的88%，明顯小于原結構，可知設有黏滯阻尼器的減震結構要比原結構更加穩定，抵御地震力的能力更強。

4 結論

①無論是多遇地震還是罕遇地震，原結構和減震結構的薄弱層都處在中部即4～9層，但在地震的影響下設有黏滯阻尼器的減震結構在該部位受到的影響明顯小于原結構。

②在多遇地震下，設有黏滯阻尼器的減震結構的層間位移角及層間剪力均比原結構的要小，表明減震結構比原結構更加穩定，有效減小了地震對原結構的破壞。

③在罕遇地震下，設有黏滯阻尼器的減震結構的層間位移角及層間剪力依然比原結構要小，表明減震結構要比原結構更加穩定，有效減小了地震對原結構的破壞。

參考文獻：

[1]林潔.消能減震技術在剪力墻住宅結構中的應用[J].建筑結構，2019（增刊1）：464-468.

[2]安海玉，朱軼君，劉暢.粘滯阻尼墻在高層剪力墻住宅中的應用[J].建筑結構，2019（增刊2）：424-429.

[3]錢輝，徐建，張勛，等.帶自復位耗能連梁的剪力墻結構的抗震性能[J].土木與環境工程學報（中英文），2021（3）：9-15.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]侯敏，李淑國，左秀國，等.關于框架-剪力墻結構的混合消能減震研究[J].價值工程，2018（22）：165-170.

[6]翁大根，呂西林.消能減震結構設計參數研究與試驗[J].地震工程與工程振動，2004（2）：150-157.

[7]吳邁，劉政，袁繼強，等.粘滯阻尼器在既有建筑抗震加固中的應用[J].工程抗震與加固改造，2020（6）：90-95.