双重耗能机制框架结构消能减震分析

双重耗能机制框架结构消能减震分析

尚洁娟1石春燕2

1广东寰球广业工程有限公司广州510655；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司广州510230

摘要：对含双重耗能机制框架结构展开消能减震分析，分析结果表明：1）多遇地震下，该消能减震结构层剪力相比于原结构能减小50%以上，层间位移角远小于规范要求，具有良好的抗震性能及减震效果；2）消能减震结构能够满足“大震不倒”的设计要求与“强柱弱梁”的屈服机制；3）黏滞阻尼器能大量耗散地震输入结构的能量，防屈曲支撑在多遇地震作用下仅为结构提供刚度，在罕遇地震作用下与黏滞阻尼器一起耗散地震能量。

关键词：双重耗能机制；钢筋混凝土框架；消能减震；黏滞阻尼器；防屈曲支撑

1前言

消能减震技术是在结构中加设消能减震装置，是提升建筑结构抗震性能最直接、有效的手段之一。在地震作用下，消能减震装置率先耗散地震输入结构中的能量，减小主体结构的变形和损伤，增加结构的安全性。目前，常用的消能减震装置主要有速度型阻尼器与位移型阻尼器两种。速度型阻尼器通常由黏滞或黏弹性材料制成，利用材料的特性来耗散地震能量，耗能总量与阻尼器变形的速度相关，譬如黏滞阻尼器，可为结构附加阻尼，同时降低结构的层剪力与层间位移角0。位移型阻尼器通常由塑性变形能力好的材料制成，在地震往复作用下通过其良好的塑性滞回耗能能力来耗散地震能量。耗能总量与阻尼器变形量相关，譬如防屈曲支撑，其在屈服前可为结构提供附加刚度，有效减小结构的变形，在屈服后耗散地震能量0。由上述可知，速度型阻尼器可为结构提供额外的阻尼比，位移型阻尼器不仅可为结构提供阻尼比，还可附加刚度，有效减小结构变形。但附加的刚度会减小主体结构的周期，增加结构在地震作用下的层剪力，若将此两种耗能机制不同的消能装置结合使用，形成含双重耗能机制的消能减震结构，可以更好的发挥两种阻尼器的特点和减震性能，提升结构的安全性。

本文将黏滞阻尼器与防屈曲支撑两种消能减震装置加设于某框架结构，形成含双重耗能机制的消能减震结构，并对其进行消能减震分析，为今后该类型结构的设计与分析提供参考。

2工程概况

钢筋混凝土框架结构总建筑面积约为33320m2，地上10层，总高度为53.4m，图1为首层结构平面图。框架柱采用C30~C45混凝土材料，框架梁采用C30混凝土材料。结构场地类别Ⅲ类，设计地震分组第三组，区域抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，抗震设计时结构阻尼比取5%。黏滞阻尼器布置于结构的1~6层，防屈曲支撑布置于结构的1~8层，其平面布置位置如图1所示，椭圆为黏滞阻尼器布置位置，方框为防屈曲支撑布置位置。黏滞阻尼器采用人字形布置形式（图2a），每个位置布置2个，共计120个，阻尼系数为350kN/(mm/s)0.2，阻尼指数为0.2。防屈曲支撑采用单斜式布置形式（图2b），共计80根，1~4层屈服力为2500kN，5~6层屈服力为1750kN,7~8层屈服力为1000kN。

3计算模型及地震波

3.1计算模型

采用ETABS软件对该消能减震结构在多遇地震作用下的抗震性能进行分析，建模时每楼层均采用刚性隔板假定，嵌固端为地下室顶部，梁、柱和防屈曲支撑采用框架线单元，楼板采用膜单元，黏滞阻尼器采用非线性连接单元，表1、表2为原结构（未加设阻尼器结构）的ETABS模型与PKPM模型的计算结果，可知结构质量和前3阶周期吻合良好，采用ETABS建立的模型进行消能减震分析是合理可行的。

JGJ297-2013《建筑消能减震技术规程》错误！未找到引用源。的式6.3.2-1~6.3.2-4可计算黏滞阻尼器附加给结构的等效阻尼比，结果见表4。由表4可知，黏滞阻尼器提供给结构的附加阻尼比平均值约为15%。同时，1~4层防屈曲支撑的最大轴力约为2000kN，5~6层约为1500kN，7~8层约为700kN，说明防屈曲支撑在多遇地震作用下未进入屈服，仅为结构提供附加刚度，减小地震的位移响应，黏滞阻尼器耗散了大量地震能量，是最主要的耗能构件。

5罕遇地震验算

采用Perfrom-3D软件进行罕遇地震作用下消能减震结构弹塑性分析，考察其在罕遇地震下的层间位移角、黏滞阻尼器的耗能以及屈服机制。梁柱单元采用两端基于纤维截面的塑性铰单元，楼板采用刚性隔板假定，钢筋本构采用二折线模型，混凝土本构采用四折线模型，材料强度采用标准值。地震波选取了多遇地震分析中的AW2波、FN67波和FN1585波。该模型质量为49368吨，前三阶周期为1.671s、1.646s和1.349s，对比表1、表2可知该模型与PKPM模型吻合良好。

表5是罕遇地震下消能减震结构层间位移角，从中可知3条地震波作用下，结构的最大层间位移角为1/93（FN1585波X向第3层），远小于规范限值1/50要求，消能减震结构能够满足“大震不倒”的设计要求。

图4和图5为罕遇地震作用下X向和Y向上黏滞阻尼器（位置与多遇地震下选取的一致）与防屈曲支撑的滞回曲线，可知黏滞阻尼器在罕遇地震作用下滞回曲线更为饱满，其行程能达到±20mm以上，约为多遇地震下的10倍，防屈曲支撑滞回曲线也十分饱满，说明防屈曲支撑在罕遇地震作用下处于塑性状态，与黏滞阻尼器共同耗散地震能量，增加了主体结构的安全性。

选取X、Y向的一榀阻尼器子框架，给出其屈服情况，可知基本所有的防屈曲支撑及大量框架梁进入屈服，框架柱基本未进入屈服，说明该消能减震结构能实现“强柱弱梁”的设计思想，屈服机制合理，阻尼器均能发挥良好的耗能减震效果。

7结论

本文针对采用黏滞阻尼器与防屈曲支撑的双重耗能机制框架结构展开消能减震分析，分析结果表明：

1）多遇地震下，相比于原结构，该消能减震结构层剪力能减小50%以上，层间位移角远小于规范要求，具有良好的抗震性能及减震效果。

2）罕遇地震作用下，结构层间位移角最大值仅为1/93，满足“大震不倒”的设计要求。结构中大量框架梁与所有阻尼器进入屈服，竖向构件基本未进入屈服，实现了“强柱弱梁”的屈服机制。

3）黏滞阻尼器能大量耗散地震输入结构的能量，防屈曲支撑在多遇地震作用下仅为结构提供刚度，在罕遇地震作用下与黏滞阻尼器一起耗散地震能量，两种阻尼器结合使用令原结构的抗震性能得到较大提升。

参考文献

[1]周云.粘滞阻尼减震结构设计[M].湖北：武汉理工大学出版社，2006.

[2]周云.金属耗能减震结构设计[M].湖北：武汉理工大学出版社，2006.

[3]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]JGJ297-2013建筑消能减震技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.