基于消能減震技術的高層框支剪力墻結構抗震性能研究

馬納靜 賈振睿

1. 天津市建筑工程職工大學 天津 300000 2. 天津群峰環?？萍加邢薰?天津 300000

1 消能減震技術概述

以往所使用的抗震設計模式是利用高層框剪力墻結構強度與剛度被動的將地震能量進行抵消，而效能減震技術與傳統抗震設計模式相比可以進一步保證建筑結構的安全性與經濟性。同時在城市不斷發展的過程中，將消能減震技術應用到高層建筑中可以對框支剪力墻結構的抗震性能進行優化且可以更好的體現出高層框支剪力墻結構優勢。消能器產品不同耗能機理也不相同，消能器主要包括速度相關型消能器、位移相關型消能器等，同時在使用時還應與建筑結構高度、結構體系等方面進行結合，不同種類的消能器應用到不同的工程中均得到了良好的效果。位移相關型消能器主要包括鉛消能器、摩擦消能器、屈曲約束支撐及軟鋼剪切消能器等。速度型消能器主要以黏滯材料為主，產品包括黏滯阻尼器與黏滯阻尼墻。其中黏滯阻尼器并不會提升結構剛度且會縮短應用周期，但是可以提供附加阻尼耗能并可以將結構反應進行控制。

消能減震技術在應用后不僅可以保證減震器的使用效果同時可以得到良好的經濟性。隨著對設計精度、效率要求的不斷提升在與速度型阻尼器結合使用后大變形能效果稍差于小變形能效果，但是應用位移型阻尼器后可以得到良好的小變形耗能效果，現在一些建筑工程在進行建筑設計時會采用組合消能減震技術。比如在進行某會展中心項目建設時就采用了三種消能器，包括軟鋼耗能連梁消能器、屈曲約束支撐消能器、黏滯阻尼伸臂桁架消能器。某商業中心項目建設與伸臂桁架結合進行了布置并采用了屈曲約束支撐伸臂與黏滯阻尼伸臂；在某超高層建筑工程中采用了組合消能減震方案，在應用后不僅得到了良好的應用效果同時提升了建筑的經濟性，但是此類組合減震方案多被應用到超高層建筑結構中并不適合應用到中底層建筑中[1]。

2 高層框支剪力墻結構應用范圍

在了解高層框支剪力墻結構特點后可知該結構多被應用到高層建筑或是地下停車場中，主要是因為建筑地下層需要的空間較大且可以為建筑商業活動提供便利。如某高層建筑中地上建筑為四層，主要開展相應的商業活動，這樣的情況下就需要將第4層作為轉換層且需要該層具有較大的活動空間。

現階段所使用的轉換層結構包括梁式轉換層結構、厚板轉換層結構、箱式轉換層結構等，轉換層結構種類較多，因此在進行選擇時需要設計人員與工程實際情況結合，進而保證墻體可以均勻受力。其中，厚板轉換層結構可以應用到7、8度抗震設計地下室轉換層構件中或是6度及非抗震設計轉換構件中。若建筑轉換層位置較高并不會給抗震帶來益處，因此一部分框支剪力墻結構會設置到地面以上的轉換層中，通常不會使用9度；超過三層高度不宜使用8度；超過5層高度不宜使用7度；當6度時可以根據實際情況適當提升，但是即使是適當提升也應與工程實際情況結合，如果有必要需要先得到施工圖紙審核單位同意或是對抗震超限進行審查；如果沒有應用經驗適當提高不得超過6層。此類墻體結構比較容易出現扭轉情況，因此要想將以上問題進行控制設計人員需要在進行平面設計時確保剛心可以與質心接近。在進行設計的過程中根據高層建筑底部設計要求科學設計剪力墻結構并優化調整轉換梁及框支柱的位置，保證結構的科學性與合理性。此外，在了解高層建筑基本形態后應認識到墻體結構豎向設計的重要性并在設計前做好全面與精準的計算、測試工作，最終確保結算結構的準確性并保證可信度。了解現階段高層建筑建設標準與要求后，要想進一步滿足標準與要求應嚴格控制轉換層上下部分剛度，避免轉換層上下部剛度與強度出現偏差；當上部分剛度較大而下部分剛度較弱時設計人員應不斷增加下部剛度，同時將上部剛度進行控制，從而保證轉換層上下部剛度相近，更好的滿足高層建筑建筑標準與要求[2]。

3 構建高層框支剪力墻消能減震結構模型

3.1 計算消能減震結構模型阻尼器參數

進行阻尼器相關參數初步確定時可以采用整體阻尼比估算公式與消能減震結構設計。當阻尼器提供給結構有效阻尼比為ξa=11%時，黏滯阻尼器設計參數：阻尼系數=1300kN/(m/s)；阻尼指數=0.4；最大阻尼力=700kN；最大結構位移±20mm。了解屈曲約束支撐型號后科學進行型號算賬并確定屈曲約束支撐參數：極限承載力P0=1100kN；屈服承載Py=850kN。屈服后剛度比為0.03，屈服指數為4，有效剛度為7.8×105kN/m，芯材以Q235為主。

3.2 模擬阻尼器模型數值

阻尼器種類不同給高層框支剪力結構減震性能所帶來的影響也不相同，主要構建了結構原模型與兩種消能減震模型。首先模型1?？梢詫枘崞鞑贾玫较鄳乃俣刃拖芷髦?；第二，模型2。將屈曲約束支撐布置到相應的位移型消能器中。了解有限元分析ETABS中文版使用指南中的內容與方法后可以將連接單元模擬阻尼器利用ETABS有限元軟件進行分析，其中模型1采用非線性Link(Damper)單元模擬；模型2通常用非線性Plastic(Wen)單元模擬。

3.3 合理布置阻尼器

將阻尼器布置到兩個模型框支層中，可以采用單向斜撐布置方式。要想更好的體現出所使用阻尼器的減震效果將模型1與模型2阻尼器布置到相同位置[3]。

4 合理選擇模型時程對地震波進行分析

高層建筑結構技術規定中明確指出，地震波整體持續時間不得比建筑結構基本自振周期小5倍與15s，地震波時間間隔選取時以0.01s或0.02s為主。在綜合考慮地震動三要素后與工程實際條件結合后合理科學選擇天然地震波與人工地震波。其中天然波一中加速峰值=277.6cm/s2，時間間隔與持續時間分別為0.02s、20s；天然波二中加速峰值=531.7cm/s2，時間間隔與持續時間分別為0.02s、20s。人工波中加速峰值=100cm/s2，時間間隔與持續時間分別為0.02s、20s。

5 消能減震設計

5.1 合理設計結構方案

結構減震設計過程時應關注以下方面：在明確設計目標的基礎上對減震設計中阻尼比進行確定并保證所選擇的阻尼參數的科學性，最終確定阻尼器型號與安裝位置。進行多遇地震計算分析時可以采用有限元計算分析軟件，從而保證阻尼器滿足結構要求，應用時程均值完成配筋模型計算并應用兩種軟件的包絡設計值作為依據進行計算。計算罕遇地震值時應充分做好位移計算并合理調整承載能力極限狀態。

5.2 確定結構減震設計目標

結構減震設計的過程中應先保證結構減震設計目標的準確性，在確定結構減震設計目標時應將工程結構安全性、穩定性與經濟性進行平衡，從而保證結構減震設計滿足要求。結構減震設計目標確定后應確保其與常規設計要求相符并可以控制消能器的使用量[4]。

5.3 結構設計內容

5.3.1 構建結構模型

在了解建筑條件后，根據以往所使用的設計方法完成軟件結構計算，從而保證模型中的各項指標與規范要求相符?？梢詫⒁呀洏嫿ê玫腨JK模型或是PKPM模型導入到ETABS模型中并利用膜單元進行樓板模擬，在對比質量、周期、振型分解反應譜法下層剪力、層間位移、層間位移角時可以應用ETABS模型、YJK模型或是PKPM模型所建立的非減震結構模型完成計算。工程兩者結構間的差控制在1.551%至3.546%之間，將計算結果差異控制在最小，進而保證兩種軟件計算模型基本是相同的。此步驟只可以對兩種軟件計算差異值進行驗證，可以相互通用。

5.3.2 保證附加阻尼比的準確性

在GB50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）中規定消能減震結構中的總阻尼比是結構阻尼比與效能構建附加給結構的有效總阻尼比的和。試算時可以采用YJK模型與PKPM軟件，首先應先對目前結構所達到的目標位移值進行估算，先確定總阻尼比然后再使用總阻尼比減去結構阻尼比，最終得到結果要素需要的附加阻尼比，對附加阻尼比核對計算時可以使用ETABS軟件。采用YJK模型完成工程過程中的試算，當得到減震目標位移值時阻尼設定在7%，附加阻尼比為2%。

5.3.3 阻尼器數量與參數確定并做好安裝工作

通過附加阻尼比與經驗、建筑平面布置情況先假定阻尼器設置位置，試算時采用連接單元將阻尼器帶入到ETABS模型中，要想更好的滿足附加阻尼比要求應對連接單元參數、阻尼器安裝位置及安裝數量進行不斷調節，從而保證連接單元參數滿足所選擇阻尼器產品的要求，最終得到所使用阻尼器的阻尼系數與指數并最終確定阻尼器安裝數量。確定阻尼器安裝位置：樓板平面位置安裝阻尼器時應落實均勻性原則、分散性原則及對稱性原則，從而對地震時集中應力進行削弱并對結構剛度進行平衡。根據非減震設計模型計算后所得到的最大層間位移角系數完成阻尼器豎向設置。然后再安裝一個阻尼器模型并利用有限元分析完成最大層間位移角設定，然后再進行阻尼器安裝，這樣進行循環最終完成豎向阻尼器設置。但是在進行阻尼器安裝時不得將其固定到一個層面，保證豎向安裝的均勻性。一般會采用懸臂墻黏滯阻尼器，減少給建筑結構功能所帶來的影響。

5.3.4 構建有限元模型并合理選擇地震波，分析小震彈性時長

ETABS中的黏滯阻尼器模擬時可以采用連接單元并保證準確性，選擇與要求相符的兩條人工波與五條天然波并分析小震彈性時長。對比內力結構與未使用減震技術時結構且可以將最核心內容進行應用，保證對比結構的準確性。

5.3.5 分析建筑結構大震彈塑性

減震結構彈性時程分析時可以應用SAP2000軟件，從而分析高層框支剪力墻結構塑性變形特點及阻尼器在加大地震災害時的優勢。SAP2000軟件中可以使用連接單元damper模擬黏滯阻尼器定義主體結構框架梁與柱。分析彈塑性時程時可以選擇三條地震波進行計算并取三條地震波的包絡值。大地震來臨時X方向減震結構層間位移角為1/260，未采用減震結構為1/155；Y方向減震結構層間位移角為1/250，未采用減震結構為1/184。

5.4 對建筑結構進行優化并提高建筑抗震性能

在進行建筑結構豎向縫隙連接時相關人員應進行靜力試驗，通過試驗可以得到建筑結構滯回曲線，再完成剛度變化、退化及耗能等方面的分析，最終得到建筑工程整體結構型鋼剪力墻組合結構的抗震性能及運行性能。評估建筑結構抗震性能時還可以分析整體框架結構靜力彈塑性，采用此種方式可以逐漸提升建筑結構模型地震受力水平并保證模型效率，同時對比高性能建筑框架結構與普通水泥框架結構的抗震性能，通過分析可知在保證高性能建筑框架結構設計效果時其抗震性能與普通混凝土框架結構相符。對一部分型鋼混凝土實心柱與空心柱進行分析時可知，采用靜力試驗可以對不同柱體抗震性能進行研究，研究不同參數變量對耗能及變形能力的不同影響。疊合板厚度不同抗震能力也不相同，與現澆結構相比抗震性能的影響可能更大，疊合板節點變形情況、開裂情況、承載能力、屈服位移等比較接近現澆混凝土結構，有一部分的承載能力會更高一些。相關研究人員對裝配式混凝土結構與冷彎薄壁型鋼填充墻板進行分析后可以發現在此種框架結構中，通常當結構出現破壞情況時多是由柱體受壓碎裂所導致的，最終導致此處位置產生鋼筋屈服問題。同時軸壓與冷彎薄壁型鋼填充墻板被破壞有一定的關系，軸壓比值增加此處結構剛度就越小。要想控制因剛度過小所導致的結構破壞問題可以使用聚合填充材料提升結構剛度并提高結構抗剪能力，且在墻板增厚同時可以增加框架結構抗側力與抗剪力[5]。

6 結語

將消能減震技術應用到高層框支剪力墻結構中，要想得到良好的應用效果可以對各類型阻尼器給高層框支剪力墻抗震性能所帶來的影響進行分析。可知模型1與模型2結構比原有結構抗震效果更好。模型2可以很好的控制框支剪力墻結構樓層位移情況，保證其在19.28%與38.23%之間。模型1可以很好的控制框支剪力墻基地剪力，保證其在9.19%與14.83%之間。可見模型2耗能比與模型1好。可見采用消能減震技術后可以提升高層建筑的抗震性能。