高烈度區(qū)框架結(jié)構(gòu)混合減震設(shè)計方案比較分析

鄭洋洋

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

0 引言

目前，阻尼器可分為速度相關(guān)型和位移相關(guān)型兩種［1］。黏滯阻尼器屬于速度相關(guān)型阻尼器，其耗能能力與阻尼器兩端速度有關(guān)，阻尼器兩端速度越快，相應阻尼力越大，耗能作用越顯著。屈曲約束支撐(BRB)屬于位移相關(guān)型阻尼器，其通過屈服變形來消耗地震能量，其變形越大，耗能效果越顯著［2］。

許多工程表明[3]，黏滯阻尼器在多遇和罕遇地震下均能發(fā)揮不錯的耗能效果，有效地減小地震破壞作用，但不能為結(jié)構(gòu)提供附加剛度且價格相對較高。在結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小時，對結(jié)構(gòu)的減震效果也會減弱。BRB在多遇地震下會為結(jié)構(gòu)提供附加剛度用于控制變形，對層間位移角的控制效果十分顯著，罕遇地震下則屈服耗能并提供附加剛度，且價格相對較低。但BRB提供的附加剛度也會使結(jié)構(gòu)受到的地震作用增大。

BRB與黏滯阻尼器存在明顯的互補關(guān)系，多遇地震下黏滯阻尼器可以改善BRB不消耗地震能量的缺陷，罕遇地震下BRB可以為結(jié)構(gòu)提供黏滯阻尼器提供不了的剛度［4］。只要通過合理設(shè)計，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)剛?cè)岵?，就可以有效減小結(jié)構(gòu)的地震破壞作用，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[5]。

1 工程概況

本研究選用某框架結(jié)構(gòu)為研究對象，其中首層層高為4.2 m，其余層高為3.6 m，建筑高度47.4 m，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值0.2 g，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期T g=0.4 s，地震分組為第二組。

圖1 模型示意圖

2 地震波的選取

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版）的規(guī)定，并結(jié)合工程實際情況，選擇2條天然波與1條人工波對結(jié)構(gòu)進行動力時程分析，3條地震波均符合規(guī)范要求。但由于篇幅有限，選擇天然波1（EL Centro波）的分析結(jié)果進行討論分析。通過Etabs將天然波1分別輸入4種方案模型中，通過動力時程分析（FNA法）得到4種方案的層間剪力、位移、位移角等樓層響應。

3 方案設(shè)計

消能器的布置根據(jù)沿高度方向均勻分段的布置原則，再根據(jù)兩種消能器不同的力學性能特點，將黏滯阻尼器和BRB同時設(shè)置在混凝土框架結(jié)構(gòu)中，得到4種不同的混合減震方案。4種方案均選擇其中6層布置消能器，每層X向布置8個，Y向布置4個。4種方案的布置形式及位置如圖2所示。

圖2 消能器結(jié)構(gòu)立面布置圖

方案一：為控制底部抗側(cè)剛度和控制層間位移，將BRB布置在下部2、3、4層，上部布置黏滯阻尼器在6、8、10層控制樓層速度。

方案二：為減小底部剪力，將黏滯阻尼器布置在下部2、3、4層，上部在6、8、10層位移角相對較大的樓層布置BRB控制上部樓層位移。

方案三：采用逐步布置法［6］，先通過反應譜分析，將BRB放置在結(jié)構(gòu)層間位移角最大的第4層，再通過反應譜分析找到層間位移角最大的樓層放置BRB，以此類推。將BRB布置在4、5、6層。因設(shè)置BRB會使樓層上部速度加快，將黏滯阻尼器均勻布置在8、10、12層控制上部樓層速度。

方案四：在方案三BRB設(shè)置在4、5、6層的基礎(chǔ)上，將黏滯阻尼器布置在下部2、3層及上部8層控制底部剪力和上部樓層速度。

黏滯阻尼器與BRB參數(shù)如表1所示。

表1 消能器的性能參數(shù)

4 不同設(shè)計方案的計算結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

將各方案中模型運用ETABS提取結(jié)構(gòu)的周期，各方案前三階振型動力特性如表2所示。各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%［7］，從表2可看出，各方案雙向質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，滿足規(guī)范要求。

表2 不同方案周期對比

4.2 結(jié)構(gòu)樓層剪力分析

由圖3可知，多遇地震下，4種減震方案的樓層剪力值均被無控結(jié)構(gòu)的樓層剪力值包絡(luò)，表明4種減震方案均有一定的減震控制效果。其中方案二在4種混合方案中對樓層剪力的控制效果最佳。

圖3 多遇地震下樓層剪力

由圖4可知，罕遇地震下，對比4種混合減震方案，可以看出方案二對結(jié)構(gòu)的層間剪力控制效果最好，方案四次之，說明將黏滯阻尼器布置在框架結(jié)構(gòu)底部樓層可以有效控制結(jié)構(gòu)層間剪力。由表3可知，罕遇地震下方案二的基地剪力控制率為X向18.88%，Y向16.65%，方案四的基地剪力控制率為X向16.77%，Y向15.19%，遠高于方案一和方案三。說明將黏滯阻尼器置于結(jié)構(gòu)底部樓層可減小地震反應，BRB置于層間位移角相對較大樓層控制結(jié)構(gòu)位移的方案可以有效降低結(jié)構(gòu)的基地剪力。

表3 罕遇地震下各方案基地剪力對比

圖4 罕遇地震下樓層剪力

4.3 結(jié)構(gòu)頂點位移分析

由表4可知：4種混合減震方案的頂點位移值均被無控結(jié)構(gòu)的頂點位移值包絡(luò)，表明4種減震方案均對結(jié)構(gòu)的頂點位移值有一定的控制效果。且無論在多遇地震還是罕遇地震下，方案二的結(jié)構(gòu)頂點位移控制率都最高，多遇地震下X、Y向頂點位移控制率分別為17.43%、26.86%。罕遇地震下X、Y向頂點位移控制率分別為14.87%、13.65%。說明將黏滯阻尼器布置在結(jié)構(gòu)底部樓層用來減小結(jié)構(gòu)的地震反應，BRB設(shè)置在結(jié)構(gòu)位移角相對較大樓層控制結(jié)構(gòu)位移的方案可以有效減小結(jié)構(gòu)頂點最大位移。

表4 不同方案結(jié)構(gòu)頂點位移

4.4 結(jié)構(gòu)層間位移角分析

由表5可知：多遇地震和罕遇地震下，4種減震方案的樓層位移角最大值均滿足規(guī)范要求限值。且4種減震方案都可以有效改善結(jié)構(gòu)層間位移角較大樓層的變形。4種減震方案中方案二對最大層間位移角的控制率最顯著，多遇地震下X、Y向的控制率分別達到27.57%、18.45%。罕遇地震下X、Y向的控制率分別達到24.59%、27.99%。表明將黏滯阻尼器布置在結(jié)構(gòu)底部減小結(jié)構(gòu)地震反應，BRB布置在層間位移角較大的樓層控制結(jié)構(gòu)位移的方案可以有效改善結(jié)構(gòu)層間位移角較大樓層的變形。

表5 不同方案的最大層間位移角對比

4.5 結(jié)構(gòu)能量耗散情況

由圖5可知：罕遇地震下，4種混合減震方案中方案二的阻尼器耗能明顯高于其他3種方案，且模態(tài)阻尼耗能最小，地震輸入能量也是最小的。說明在4種混合減震方案中方案二結(jié)構(gòu)中的阻尼器的耗能能力最佳，消能減震效果最好。

圖5 罕遇地震下各方案能量耗散情況

5 結(jié)語

本研究根據(jù)阻尼器的各自特性不同設(shè)置了4種混合減震方案，同時將4種方案與無控結(jié)構(gòu)進行對比分析，分析結(jié)果顯示：在多遇、罕遇地震下4種方案均可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，其中方案二在多遇地震下對結(jié)構(gòu)的層間位移角、頂點位移、層間剪力等性能指標的控制效果均優(yōu)于其他方案。罕遇地震下，方案二的主體結(jié)構(gòu)X向基地剪力減小了18.88%，頂點位移減小了14.87%，最大層間位移角減小了24.59%，減震率在4種方案中最高，阻尼器耗能效果也優(yōu)于其他方案。說明在框架結(jié)構(gòu)中將黏滯阻尼器布置在底部樓層減小地震反應，BRB布置在層間位移角較大的樓層控制結(jié)構(gòu)位移的方案可以有效減小結(jié)構(gòu)地震反應，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。