高層建筑結(jié)構(gòu)消能減震新體系分析研究

方 鵬 唐格林

(1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007； 2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

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高層建筑結(jié)構(gòu)消能減震新體系分析研究

方 鵬1唐格林2

(1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007； 2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

通過(guò)分析消能減震機(jī)理，探討了消能減震結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算，對(duì)設(shè)置消能減震構(gòu)件的某高層建筑框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)震作用下的地震反應(yīng)分析，指出采用消能減震結(jié)構(gòu)體系是減少共振反應(yīng)，確保結(jié)構(gòu)安全的有效途徑。

消能減震，框架結(jié)構(gòu)，地震反應(yīng)，抗震設(shè)計(jì)

我國(guó)幅員遼闊，約有70%的大中型城市處于地震區(qū)，建筑物集中、規(guī)模大，發(fā)生強(qiáng)震時(shí)容易造成巨大的損失。這就要求有一種安全、有效、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)減震體系，以確保突發(fā)強(qiáng)震時(shí)建構(gòu)物的安全，有效減輕震害，是對(duì)目前國(guó)家工程建設(shè)領(lǐng)域的迫切要求。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法沒(méi)有考慮到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，而是通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度(截面及配筋)來(lái)抵抗地震作用，即通過(guò)結(jié)構(gòu)體自身來(lái)抵抗消耗地震傳輸?shù)哪芰俊＿@種抗震設(shè)計(jì)方法存在安全性難以保證、實(shí)用性有限和經(jīng)濟(jì)性欠佳的缺點(diǎn)[1]。因此有必要尋找一種安全、適用又經(jīng)濟(jì)的“工程結(jié)構(gòu)減震控制”新體系。本文將對(duì)傳統(tǒng)體系與設(shè)置了消能減震的新抗震體系做出對(duì)比分析，結(jié)合算例來(lái)驗(yàn)證消能減震新體系對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的控制，總結(jié)其在結(jié)構(gòu)減震控制中的優(yōu)越性及實(shí)用性。

1 消能減震技術(shù)的基本理論

1.1 消能減震新體系工作原理

結(jié)構(gòu)消能減震新體系，是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力理論基礎(chǔ)，適用于不同烈度、不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的新抗震設(shè)計(jì)方法。它在結(jié)構(gòu)的某些變剛度等節(jié)點(diǎn)處設(shè)置消能裝置，增加結(jié)構(gòu)物延性，來(lái)抵抗和消耗地震作用。這些消能裝置，在遭遇較小烈度地震時(shí)，能充分利用結(jié)構(gòu)自身初始剛度抵抗地震效應(yīng)，而自身則保留了較大的耗能空間。當(dāng)遭遇中、強(qiáng)地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)自身剛度變形能抵抗一部分地震能量，而此時(shí)消能裝置將進(jìn)入工作狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，迅速衰減結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)，避免主體結(jié)構(gòu)變形繼續(xù)增大而破壞。結(jié)合地震時(shí)結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程來(lái)看，若為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，輸入結(jié)構(gòu)物的地震能量，由結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)能及勢(shì)能部分消耗所占比例很小(通常只有5%)，而主要由結(jié)構(gòu)阻尼及結(jié)構(gòu)變形來(lái)承受；若為消能減震新體系，其能量將大部分被消能裝置逐漸耗散，避免結(jié)構(gòu)依靠變形耗能而破壞[2]。

1.2 傳統(tǒng)高層建筑抗震設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)抗震體系的高層建筑結(jié)構(gòu)在遭遇地震作用時(shí)，由于基礎(chǔ)的“放大作用”，地震反應(yīng)由下而上逐層放大，當(dāng)結(jié)構(gòu)物某部分的地震反應(yīng)(加速度，速度或位移)過(guò)大時(shí)，不僅會(huì)造成主體結(jié)構(gòu)的破壞，還會(huì)引起一系列的次生災(zāi)害：首先，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震體系將既定的設(shè)防烈度或水準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，超強(qiáng)地震的隨機(jī)性難以預(yù)測(cè)，結(jié)構(gòu)破壞難以控制，安全性難以保證；其次，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震體系缺乏延性設(shè)計(jì)而主要依靠結(jié)構(gòu)體自身來(lái)抵抗，能量耗散度低，容易引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備或附屬系統(tǒng)的損壞，適用性有限；再次，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震體系通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的“硬抗”方式來(lái)抵抗，這樣反而會(huì)加大地震作用效應(yīng)的不良后果，也浪費(fèi)材料，經(jīng)濟(jì)性欠佳。

1.3 消能減震新體系與傳統(tǒng)抗震體系對(duì)比分析

表1給出消能減震新技術(shù)與傳統(tǒng)抗震技術(shù)的對(duì)比情況。

表1 傳統(tǒng)抗震技術(shù)與消能減震新技術(shù)對(duì)比表

以增加結(jié)構(gòu)阻尼為主的消能減震控制技術(shù)是一種有效、安全、經(jīng)濟(jì)的減震耗能方法，它屬于減震控制中的被動(dòng)控制，它可以對(duì)耐震性能不足的工程結(jié)構(gòu)物進(jìn)行加固，以滿足抗震性能的要求，應(yīng)用范圍更廣[3]。

2 消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

結(jié)構(gòu)消能減震的實(shí)質(zhì)是通過(guò)在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置消能構(gòu)件(或裝置)，通過(guò)增加結(jié)構(gòu)阻尼，消耗輸入結(jié)構(gòu)體能量，有效衰減結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。消能減震體系按其消能裝置的不同，可分為兩類(lèi):1)消能構(gòu)件減震體系，利用結(jié)構(gòu)的非承重構(gòu)件作為消能裝置的結(jié)構(gòu)減震體系，其混凝土的接觸面可以用填充粘性材料或用鋼筋連接，在強(qiáng)震時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非彈性的縫面錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生阻尼，以消耗地震能量。2)阻尼器消能減震體系，在梁柱節(jié)點(diǎn)等位置裝設(shè)阻尼器。強(qiáng)震時(shí)，結(jié)構(gòu)的這些部位會(huì)發(fā)生較大變形，使設(shè)置在該部位的阻尼器能有效地消耗地震動(dòng)能量[4]。本文所采用的消能減震體系為阻尼器消能減震體系。消能減震結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)罕遇地震作用下的預(yù)期結(jié)構(gòu)位移控制要求，設(shè)置適當(dāng)?shù)南懿考Ｆ湎懿考捎勺枘崞骷靶睋巍w、梁或節(jié)點(diǎn)等支承構(gòu)件組成。消能部件按其構(gòu)造形式可分為消能支撐、消能節(jié)點(diǎn)和消能聯(lián)結(jié)等[5]。

3 設(shè)計(jì)算例

1)結(jié)構(gòu)基本情況。一幢11層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的高層建筑，2跨、5開(kāi)間,跨度及開(kāi)間為6 m，中間開(kāi)間為2.4 m。底層層高4.2 m，2層～11層層高3.6 m，按8度設(shè)防，近震，建筑場(chǎng)地為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。本算例利用SAP2000對(duì)該建筑框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，主要設(shè)置消能支撐在中跨。2)兩種結(jié)構(gòu)非線性時(shí)程比較分析。為了對(duì)比傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)與消能減震設(shè)計(jì)在強(qiáng)震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，導(dǎo)入El-Centro波，持續(xù)時(shí)間30 s。先計(jì)算分析未設(shè)置消能支撐構(gòu)件的框架結(jié)構(gòu)，提取各樓層的最大加速度和最大位移時(shí)程曲線，提取底層和頂層的加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，擬合成加速度時(shí)程曲線；再提取底層和頂層的位移時(shí)程數(shù)據(jù)，擬合成位移時(shí)程曲線，分別如圖1所示。對(duì)框架結(jié)構(gòu)的橫向中間跨處加消能減震支撐，設(shè)置粘滯阻尼單元于交叉點(diǎn)；同理在縱向中間跨中設(shè)置消能支撐。分析得到其加速度時(shí)程曲線和位移時(shí)程曲線，如圖2所示。

對(duì)比分析上述時(shí)程曲線，可知，加消能支撐后，框架結(jié)構(gòu)的頂層(加速度和位移)反應(yīng)峰值比無(wú)消能支撐(純框架)結(jié)構(gòu)明顯降低，而且結(jié)構(gòu)時(shí)程反應(yīng)曲線顯示，其不僅降低了地震作用，而且有消能構(gòu)件的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的純框架結(jié)構(gòu)的衰減情況明顯加快。在兩組結(jié)構(gòu)分析結(jié)束后，分別提取了時(shí)程中傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)中未加消能支

撐的純框架及消能支撐結(jié)構(gòu)的各層最大位移和最大加速度，列于表2中。

表2 傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與設(shè)置消能支撐框架結(jié)構(gòu)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比，再次證明：設(shè)置了消能支撐的框架結(jié)構(gòu)，在大震情況下，比未設(shè)置消能構(gòu)件的純框架，其地震反應(yīng)(位移和加速度)明顯衰減，作為第一道防線的消能構(gòu)件，有效的保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，達(dá)到了較好的抗震效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文比較了傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)未設(shè)置消能構(gòu)件的純框架結(jié)構(gòu)和設(shè)置了消能構(gòu)件的框架結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)震作用下的地震反應(yīng)，初步可以得出以下結(jié)論：1)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨著樓層的增高而逐漸加大，在高層結(jié)構(gòu)中設(shè)置的消能構(gòu)件或消能裝置，為結(jié)構(gòu)體系提供了較大的阻尼從而大幅度的消耗地震作用，而且有效避免結(jié)構(gòu)主體及內(nèi)部裝置損害。阻尼作為影響結(jié)構(gòu)共振反應(yīng)的主導(dǎo)因素，通過(guò)改變阻尼比，可以有效抑制結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用的放大效應(yīng)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的共振反應(yīng)。采用消能減震結(jié)構(gòu)體系，已成為減少共振反應(yīng)確保結(jié)構(gòu)安全的有效途徑。2)在高層建筑中設(shè)置消能構(gòu)件，并不作為主體承重結(jié)構(gòu)，而是讓其作為第一道抗震防線來(lái)耗能，能有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。因此，在高層建筑中設(shè)置消能構(gòu)件可以做到“大震可修”。 3)強(qiáng)震時(shí)主體結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼都有所變化，耗能過(guò)程及反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題，需要配合采用數(shù)值模擬及試驗(yàn)方法將控制參數(shù)確定在適當(dāng)范圍內(nèi)，以便于合理地確定消能支撐的有效布置。

[1] 沈蒲生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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On analysis of energy dissipation and seismic reduction system of high-rise architectural structure

Fang Peng1Tang Gelin2

(1.GuangxiPolytechnicofConstruction,Nanning530007,China; 2.CISDIEngineeringCo.,LtdofMCC,Chongqing401122,China)

The paper analyzes the mechanism for the energy dissipation and seismic reduction system, explores the seismic reduction design of the structures, undertakes the seismic response analysis of some high-rise framework structure under intense earthquakes by allocating the energy dissipation and seismic reduction components in the calculation, and points out the system can reduce the resonant reaction and ensure the effective channels for the structural safety.

energy dissipation and seismic reduction, frame structure, earthquake effect, seismic design

1009-6825(2016)11-0046-02

2016-01-23

方 鵬(1985- )，男，碩士; 唐格林(1986- )，男，工程師

TU352

A