粘滯阻尼器對(duì)高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的減震作用分析

孫沙沙

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 安徽　合肥　230601)

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粘滯阻尼器對(duì)高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的減震作用分析

孫沙沙

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 安徽合肥230601)

粘滯阻尼器可有效減少建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng).高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)以其特有的使用空間靈活的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用.文章運(yùn)用大型有限元分析軟件SAP2000，通過動(dòng)力時(shí)程分析方法，對(duì)比分析設(shè)有粘滯阻尼器和未設(shè)有粘滯阻尼器的兩種高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的減震控制結(jié)果，分別計(jì)算其層間位移角、速度、位移和頂層加速度.筆者認(rèn)為，粘滯阻尼器的設(shè)置對(duì)高層建筑物可以起到耗能減震作用.

粘滯阻尼器；耗能減震；有限元軟件SAP2000；動(dòng)力時(shí)程分析

目前，土地資源的需求越來越大，為節(jié)約土地，出現(xiàn)了大量高層建筑.框架剪力墻結(jié)構(gòu)是高層住宅采用較為普遍的結(jié)構(gòu)形式，它是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，構(gòu)成靈活自由的使用空間，滿足不同建筑功能的需求.隔震技術(shù)近年來發(fā)展比較成熟，工程建筑中應(yīng)用廣泛，理論研究也比較完善，但這種技術(shù)在高層或超高層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用效果不是很理想.耗能減震技術(shù)通過附設(shè)抗震裝置方式使結(jié)構(gòu)具有足夠的附加阻尼，以滿足地震下預(yù)期的結(jié)構(gòu)位移要求[1-2]，同時(shí)可減少結(jié)構(gòu)水平和豎向的地震作用，適用范圍較廣，結(jié)構(gòu)類型和高度也不受限制，能夠降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響，提高了框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,確保了結(jié)構(gòu)的安全[3-4].因此，耗能減震技術(shù)在我國實(shí)際工程中開始應(yīng)用,其中粘滯阻尼器耗能減震技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用.主要原因是粘滯阻尼器減震技術(shù)減震效果顯著、構(gòu)造不復(fù)雜,同時(shí)適用范圍廣.本文以一15層高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)為例(如圖1所示)，采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行有限元數(shù)值模擬求解，對(duì)普通鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)和附設(shè)粘滯阻尼裝置的鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的模擬分析,評(píng)估其抗震性能[5-6].

圖1　15層建筑三維簡(jiǎn)圖

1　理論模型及運(yùn)動(dòng)方程

1.1微分方程的建立

進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)把多自由度體系轉(zhuǎn)化為一個(gè)近似懸臂梁的串聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系模型[7].

運(yùn)動(dòng)微分方程為[8]:

(1)

1.2微分方程求解

忽略非線性單元時(shí)，為了避免計(jì)算機(jī)模型因此可能造成的不穩(wěn)定性，一般是在方程中加入剛度為任意值的“有效彈性單元”[9].通過在方程左右兩邊均添加Kex(t)，(1)式可改寫為：

=R(t)-RNL(t)+Kex(t)

(2)

上式中，Ke為任意數(shù)值有效剛度.于是方程(2)可改寫成下列形式：

(3)

(4)

上式中，Ω2是對(duì)角矩陣，I為單位矩陣.假定(3)式解的表示形式為：

(5)

公式(5)為耦合方程，將其代入公式(3)中，并將左右兩邊同乘ΦT可得：

(6)

其中，F(xiàn)(t)為非線性模態(tài)荷載.

(7)

將公式(7)簡(jiǎn)化寫成分量形式，省略下標(biāo)得到：

(8)

通過PDM項(xiàng)目管理模塊開發(fā)的 “文檔完整性檢查”功能，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)整套產(chǎn)品文檔的完整性，防止項(xiàng)目關(guān)鍵文檔缺失，企業(yè)技術(shù)文件得以完整保留，數(shù)據(jù)的安全性更強(qiáng)。PDM通過對(duì)數(shù)據(jù)加密進(jìn)行存儲(chǔ)，有嚴(yán)密的權(quán)限管理功能，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存在企業(yè)私云服務(wù)器上，通過系統(tǒng)的權(quán)限控制功能，限制產(chǎn)品信息的訪問、刪除、更改，使數(shù)據(jù)的安全性得到提高。

公式(8)的求解如下：在i-1到i的Δt時(shí)間間隔內(nèi)，即在較小時(shí)間增量內(nèi)采用三次荷載及線性函數(shù)逼近，可得微分方程：

(9)

方程(9)由通解和特解兩部分構(gòu)成，可解得：

(10)

上式中：b1,b2,b3,b4,b5,b6分別為常數(shù).為了書寫簡(jiǎn)便，我們令：

C(t)=e-ξatcos(ω0t),

(11)

將(11)式代入(10)式中可得：

y(t)=b1S(t)+b2C(t)+b3+b4t+b5t2+b6t3

(12)

通過對(duì)公式(12)進(jìn)行一、二階求導(dǎo)得到：

=D(t)b

(13)

其中，b=(b1,…,b6)T.把求解結(jié)果(13)式帶回(9)式中，采用待定系數(shù)法，根據(jù)初始條件ρs和y(0)=yi-1,得到：

(14)

其矩陣表達(dá)式為：

(15)

綜合分析(13)式和(15)式，可得到一個(gè)迭代公式：

(16)

2　算例

2.1結(jié)構(gòu)概況

采用一15層的高層建筑為算例，結(jié)構(gòu)高50.4 m，長度是30 m，寬度為16.2 m.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度,場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本特征周期為0.4 s，基本地震加速度為0.2g.第一層層高為4.2m,上面各層層高為3.3m.框架柱截面尺寸為400mm×400mm，梁柱受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，板中受力鋼筋采用HRB335級(jí)鋼筋.框架梁、柱采用混凝土等級(jí)為C40,樓板用混凝土等級(jí)為C30.

圖2　結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.2粘滯阻尼器布置圖

文中采用彈簧-阻尼器單元COMBIN14作為粘滯阻尼器，各個(gè)樓層對(duì)稱布置，每層6個(gè)，其基本參數(shù)如表1.

表1　阻尼器基本參數(shù)

圖3　阻尼器平面布置圖

2.3計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地震波選取條件，本文選擇兩組天然地震波，El-Centro地震波和TAFT地震波.通過SAP2000建立模型，分別比較未設(shè)有和設(shè)有粘滯阻尼器的高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角、速度、位移和頂層加速度等特性.

圖4　EL-Centro波作用下樓層速度最大值

圖5　Taft波作用下樓層速度最大值

圖6　EL-Centro波作用下樓層加速度最大值

圖7　Taft波作用下樓層加速度最大值

圖8　EL-Centro波作用下樓層位移最大值

圖9　Taft波作用下樓層位移最大值

2.4結(jié)果分析

(1)對(duì)比圖4、圖5，粘滯阻尼器的設(shè)置對(duì)樓層速度的減少有顯著作用，EL-Centro地震波下樓層速度減少幅值為10.84﹪～41.03﹪.Taft地震波下樓層速度減少范圍為10.56﹪～25.87﹪.粘滯阻尼器作用下EL-Centro地震波對(duì)降低層間速度的作用更明顯.從上部樓層開始，控制層間速度變化趨勢(shì)逐漸增大.

(2)對(duì)比圖6、圖7，樓層低時(shí)，結(jié)構(gòu)在EL-Centro地震波下加速度動(dòng)力響應(yīng)衰減顯著，且加速度衰減速度較為均勻；Taft地震波作用下加速度降低幅值較為跳躍，中間層加速度有增大，最高增加幅值達(dá)到10.42﹪，是地震能量在結(jié)構(gòu)中聚集累加的原因.在樓層中間部位，兩種地震波耗能差距明顯，上部樓層開始兩種地震波對(duì)結(jié)構(gòu)加速度影響程度較為接近.

(3)對(duì)比圖8、圖9，EL-Centro地震波下樓層位移減小最大幅值為42.74﹪，而Taft地震波下樓層位移最大減小幅值為61.37﹪，從首層到最高層，減小幅值逐漸增大.對(duì)每一層來說，Taft地震波對(duì)樓層位移的耗能控制都要比EL-Centro地震波顯著.在中間層時(shí)，粘滯阻尼器的設(shè)置對(duì)樓層位移的削減作用最明顯.從中間層往上降低數(shù)值有限，對(duì)位移變化基本無影響.

(4)表2中，在EL-Centro地震波作用下層間位移角最大減小值為48.87﹪，Taft地震波下最大減小值為63.44﹪.中間樓層時(shí)層間位移角變化幅度較為均勻，是因?yàn)檎硿枘崞鞲淖兞私Y(jié)構(gòu)的剛度分布，層間位移角的大小合乎規(guī)范要求.因此，粘滯阻尼器的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)的層間變形有削減作用.

表2　層間位移角的最大值

3　結(jié)論

粘滯阻尼器的設(shè)置對(duì)樓層速度、加速度、位移以及位移角均有削弱作用，起到了耗能減震的作用，提高了結(jié)構(gòu)的安全系數(shù).對(duì)樓層速度與樓層加速度來說，EL-Centro地震波對(duì)降低層間速度的作用更明顯，對(duì)樓層加速度的削弱更穩(wěn)定安全.對(duì)樓層位移來說，Taft地震波對(duì)樓層位移的耗能控制作用比EL-Centro地震波顯著.對(duì)層間位移角來說，兩種地震波的影響差異不大，均能對(duì)層間變形有減弱作用.

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(責(zé)任編輯穆剛)

Damping effect analysis of viscous damper on high-rise frame shear wall structure

SUN Shasha

(School of Civil Engineering, Anhui University of Architecture And Civil Engineering, Hefei Anhui 230601，China)

Viscous dampers can effectively reduce the dynamic response of building structures under earthquake action. High-rise frame shear wall structure with the advantage of its unique use of space flexible is widely used. By using the large-scale finite element analysis software, the dynamic time history analysis method, comparative analysis with viscous damper and a viscous damper of two high-rise frame shear wall structure damping control results, the interlayer displacement angle, velocity, displacement and acceleration of the top were calculated. It is concluded that viscous damper settings does have the effect of energy dissipation on the tall building.

viscous damper; energy dissipation; finite element software SAP2000; dynamic time history analysis

2016-04-10

孫沙沙(1991-)，女，安徽宿州人，碩士研究生，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用方面的研究.

TU352.1

A

1673-8004(2016)05-0060-05