消能減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

孫　萬

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原　030013)

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消能減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

孫萬

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原030013)

介紹了建筑結(jié)構(gòu)消能減震的概念，探討了消能減震技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的方法，并結(jié)合工程實(shí)例，從層剪力與層間位移角兩方面，對比分析了設(shè)置消能器的結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的抗震性能，指出消能減震設(shè)計(jì)能夠增加結(jié)構(gòu)的安全性。

消能減震技術(shù)，阻尼比，剪力，位移角

0　引言

地震是一種自然現(xiàn)象，是突然釋放的地球內(nèi)部能量，使得地球快速震顫，地震作用是由于地震通過地震波釋放巨大的能量，引起了地面運(yùn)動的動態(tài)效應(yīng)，由于地震的突發(fā)性，破壞面積大，災(zāi)難性，因此要求建筑物具有一定的抗震性能，以達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震，使其在地震作用中發(fā)生最小的損傷，減輕財(cái)產(chǎn)損失。

現(xiàn)階段的大部分建筑物采用三水準(zhǔn)、兩階段設(shè)計(jì)方法，允許結(jié)構(gòu)中的部分次要構(gòu)件產(chǎn)生一定的塑性損傷變形，利用結(jié)構(gòu)本身的延性和變形來消耗傳來的地震能量使建筑物在地震時實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”。但是對于采用了消能減震裝置的結(jié)構(gòu)，形成了新的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，附加的消能減震裝置使得原結(jié)構(gòu)承受的地震作用顯著減小，從而減輕主體結(jié)構(gòu)的損害程度。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減震控制技術(shù)主要包括消能減震、隔震減震、質(zhì)量調(diào)諧減震和主動控制減震。本篇主要介紹結(jié)構(gòu)消能減震。

結(jié)構(gòu)消能減震體系，就是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成消能構(gòu)件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位(層間空間、節(jié)點(diǎn)、聯(lián)結(jié)縫等)裝設(shè)消能裝置。在風(fēng)或小地震時，這些消能構(gòu)件或消能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)物仍具有足夠的側(cè)向剛度以滿足使用要求。當(dāng)發(fā)生中、強(qiáng)地震時，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，消能構(gòu)件或消能裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，提供較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在強(qiáng)震中免遭嚴(yán)重破壞，確保結(jié)構(gòu)安全。

由于消能部件給結(jié)構(gòu)附加了阻尼，所以結(jié)構(gòu)的等效阻尼比會增加，隨著阻尼比的增大，地震影響系數(shù)曲線下降，結(jié)構(gòu)地震作用下降。通過增設(shè)消能減振裝置提高結(jié)構(gòu)總體的阻尼比來滿足結(jié)構(gòu)在地震作用下的需求。

消能器分位移相關(guān)型消能器與速度相關(guān)型消能器。位移相關(guān)型消能器會給結(jié)構(gòu)帶來額外的附加剛度，因此在使用位移相關(guān)型消能器的時候，結(jié)構(gòu)的自振周期會變短。消能器給結(jié)構(gòu)附加的剛度與消能器的工作位移有關(guān)，當(dāng)位移型消能器達(dá)到工作位移時，其割線剛度即為消能器的等效附加剛度。位移相關(guān)型消能器對于減小結(jié)構(gòu)的總基底剪力效果有時候并不顯著但是對于控制結(jié)構(gòu)位移效果非常顯著。速度相關(guān)型消能器并不改變結(jié)構(gòu)周期，但是可以更有效減小結(jié)構(gòu)的基底剪力。而且在控制結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)方面不如位移相關(guān)型消能器的效果好。

2　工程實(shí)例

2.1工程簡介

取一工程進(jìn)行試算，現(xiàn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)見圖1。地下1層，層高為4.6 m，地上4層，層高為3.7 m，建筑總高度為15.10 m。8度抗震設(shè)防(0.2g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.45 s，Ⅲ類場地。按照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定在8度區(qū)，高度不大于24 m的建筑框架抗震等級為二級。采用減隔震技術(shù)。考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和消能減震效率，本工程擬采用粘滯阻尼墻作為消能減震元件。粘滯阻尼墻可為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，卻不會為結(jié)構(gòu)提供附加剛度。

2.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

本布置方案選用的VFW型號及詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1　VFW型號及詳細(xì)參數(shù)表

樓層X向Y向VFW型號數(shù)量/臺VFW型號數(shù)量/臺4YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-3523YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-3522YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-3521YSX-VFW-300-352YSX-VFW-300-352X向合計(jì)8臺Y向合計(jì)8臺總計(jì)16臺

墻式粘滯消能器又叫做粘滯阻尼墻(Viscosity Fluid Damping Wall，VFW)。VFW內(nèi)置阻尼液體，本身不提供靜剛度，增設(shè)后不影響結(jié)構(gòu)的周期和振型；其滯回曲線呈橢圓形，在結(jié)構(gòu)最大位移時刻阻尼力為0，在結(jié)構(gòu)位移為0的時刻提供最大阻尼力。

通常粘滯消能器力學(xué)模型可以表達(dá)為下式：

F=CVα

(1)

其中，F(xiàn)為阻尼力，kN；C為阻尼系數(shù)，kN·(s/m)α；V為消能器兩端節(jié)點(diǎn)的相對速度，m/s；α為速度指數(shù)，常在0～1之間。

VFW的主要構(gòu)成單元是充滿粘滯體的外部鋼板(粘滯體容器)和插入其中的內(nèi)部鋼板(阻抗板)。其固定于樓層底部的鋼板槽內(nèi)填充粘滯液體，插入槽內(nèi)的內(nèi)部鋼板固定于上部樓層，當(dāng)樓層間產(chǎn)生相對運(yùn)動時，內(nèi)部鋼板在槽內(nèi)粘滯液體中來回運(yùn)動，產(chǎn)生阻尼力。這種阻尼墻可提供較大的阻尼作用，不易滲漏，且其墻體狀外形容易被建筑師接受。

本工程采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM有限元軟件、清華大學(xué)土木工程系開發(fā)的EDStrucDesign程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。PKPM軟件尚無法有效的模擬非線性單元的特性，故在此結(jié)合清華大學(xué)土木工程系開發(fā)的EDStrucDesign程序進(jìn)行迭代計(jì)算，通過EDStrucDesign程序計(jì)算得到的附加阻尼比，通過在PKPM前處理時調(diào)整結(jié)構(gòu)的阻尼比來考慮。

附加阻尼采用GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第12章中給出的方法進(jìn)行計(jì)算。本工程中VFW的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)合消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序EDStrucDesign進(jìn)行消能器的附加阻尼比的迭代計(jì)算。

X向與Y向附加阻尼比計(jì)算結(jié)果見表2，表3。

根據(jù)等效線性化方法進(jìn)行迭代計(jì)算，消能器為結(jié)構(gòu)提供的附加阻尼比結(jié)果：結(jié)構(gòu)總阻尼比取較小值9.6%。

通過分析表4數(shù)據(jù)可見消能減震設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)的層剪力為原結(jié)構(gòu)的81.29%～84.50%。地震荷載明顯減小。

通過分析表5可見消能減震設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)的層間位移角為原

結(jié)構(gòu)的79.77%～80.51%。層間位移角得到有效控制。

表2　X向附加阻尼比計(jì)算結(jié)果

表3　Y向附加阻尼比計(jì)算結(jié)果

表4　剪力表

表5　位移角表

3　結(jié)語

本篇對比分析設(shè)置消能器的結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的層剪力、層間位移角等數(shù)據(jù)。最后，可以得到結(jié)論，消能減震設(shè)計(jì)方案能夠有效的改善結(jié)構(gòu)性能，增加結(jié)構(gòu)的安全性。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]潘鵬.建筑結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)與案例[M].北京:清華大學(xué)出版社，2014.

[3]周云，張文芳，宗蘭.土木工程抗震設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，2011.

The application of energy dissipation damping technology in structure

Sun Wan

(ShanxiArchitecturalDesignandResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the concept of building structure energy dissipation damping, discussed the common method of energy dissipation damper technology in structure design, and combining with the engineering examples, from the shear layer and inter layer displacement angle two aspects, compared and analyzed the seismic performance setting of structure and original structure of effectiveness, pointed out that the energy dissipation damping design could increase the safety of structure.

energy dissipation damper technology, damping ratio, shear force, displacement angle

1009-6825(2016)08-0068-02

2016-01-10

孫萬(1987- )，男，助理工程師

TU352

A