鋼連梁阻尼器在框筒結構中的應用研究

王 志 嫻

(上海紡織建筑設計研究院，上海 200060)

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鋼連梁阻尼器在框筒結構中的應用研究

王 志 嫻

(上海紡織建筑設計研究院，上海 200060)

結合工程實例，介紹了鋼連梁阻尼器在框架核心筒結構中的設計思路，并建立了Perform 3D模型，對使用鋼連梁阻尼器的結構進行了動力彈塑性時程分析，結果表明，鋼連梁阻尼器能充分耗散地震能量，為結構提供附加阻尼比，減輕結構的地震反應。

框架—核心筒，鋼連梁阻尼器，動力時程分析，地震波

0 引言

框筒體系在地震作用下，核心筒部分承擔了絕大部分的側力作用[1，2]。鋼筋混凝土核心筒中往往會存在深連梁，其一般受抗剪控制，而混凝土深連梁的抗剪設計十分復雜，并且極易造成超筋，而且混凝土連梁滯回性能較差，因此使用設計簡便，滯回性能優良的鋼連梁阻尼器不失為一種良好的抗震設計思路[3，4]。

1 工程概況

本工程位于7度區，抗震設防烈度為7度(0.1g)，地震分組為第三組，場地類別為四類。此工程為框架—核心筒結構，建筑高度為106 m，23層。

2 設計思路目標

1)本工程減震建筑的要求為:在多遇地震下，其建筑結構須完全保持彈性，且非結構構件無明顯損壞;在設計地震作用下，鋼連梁阻尼器開始發揮作用；在罕遇地震考慮下，其鋼連梁阻尼器系統仍能正常發揮功能。

2)本工程的減震設計依據預期的水平向地震力和位移控制要求等參數，計算出減震結構所需求的總阻尼比，據此選擇適當的鋼連梁阻尼器，并配置在適當的位置[5]。

3)對結構進行整體分析，包含各個不同地震考慮下的結構彈塑性分析，根據以上設計思路和要求，本工程采用的阻尼器的參數如表1所示，X方向分為X1～X4，Y方向分為Y1～Y4，總計共171根鋼連梁阻尼器。

表1 X方向鋼連梁阻尼器參數與布置

在表1中，主要為X方向(X1,X2,X3,X4)的鋼連梁阻尼器，S2代表結構2層，S3～8代表結構3層～8層，Y方向(Y1,Y2,Y3,Y4)，如表 2所示。

每層中連梁布置圖如圖1所示。

3 結構動力彈塑性時程分析

3.1 Perform 3D模型的建立

本工程使用大型有限元軟件進行結構的彈塑性時程分析，在軟件中，使用具有隨動強化滯回規則的鋼梁剪切塑性鉸模擬鋼連梁阻尼器。所有的剪力墻被定義為殼單元，采用纖維墻+彈塑性剪切層的彈塑性模型，框架梁柱則被定義為框架單元，采用FEMA塑性鉸模型，連梁也被定義為框架單元，采用剪切鉸模型。Perform 3D模型如圖2所示。為了校核所建立的結構模型的準確性，將Perform 3D和盈建科建立的非減震結構模型計算得到的周期和振型分解反應譜法下的進行對比，如表3所示。

表2 Y方向鋼連梁阻尼器參數與布置

表3 周期與振型對比

T/sYJKPF3D誤差/%一階2.8162.8050.4二階2.672.6850.6三階2.572.4764

3.2 地震波的選取

按GB 50011—2010建筑抗震設計規范要求，該結構的抗震計算應采用動力時程分析法，且動力時程分析應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于2組實際強震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線，本工程結構的減震設計首先采用擬合的人工波進行設計，然后再輸入2條天然地震波和1條人工波，取得包絡值后進行比較，以保證計算的合理性，所采用的人工波和天然地震波的加速度時程曲線見圖3。

3.3 結構彈塑性時程結果

為了分析結構在不同地震波不同地震輸入方向作用下結構的彈塑性性能，對結構進行雙向地震(《規范》定義，水平主向∶水平次向=1.00∶0.85)輸入作用下的彈塑性動力性能分析，得出結構地震作用響應結果，如位移角、基底剪力、基地傾覆彎矩等，最終結果見表 4。

3.4 構件的性能狀態

該部分分別截取了3條地震波作用下梁柱剪力墻構件最終屈服狀態圖，通過梁柱的出鉸情況可以看出結構在地震作用下的受損程度。

PF3D中使用的塑性鉸定義遵循FEMA性能化設計準則。以鋼連梁阻尼器為例，使用三折線塑性鉸模型在這里三種變形狀態的取值可以對應延性，取1，3及6時的變形，即取IO值為屈服曲率，LS取值為3倍的屈服曲率，CP取值為6倍的屈服曲率，隨著延性比增加，截面進入塑性逐漸增強。

圖4反映的是三條地震波作用下X3與Y3位置鋼連梁阻尼器構件最終的屈服狀態以及剪力墻底部的出鉸狀態。

表4 彈塑性分析結果

圖5反映的是鋼連梁阻尼器與普通混凝土連梁的滯回曲線對比圖，從圖5中可以看到鋼連梁阻尼器穩定的滯回更加飽滿穩定。

4 結語

通過對結構整體模型進行了彈塑性時程分析，采用6條地震波分析了結構在X向和Y向地震輸入時結構的彈塑性性能，主要結論如下:

1)在罕遇地震作用下，結構頂部X方向最大位移為0.505 39 m，由人工波(C波)控制；Y方向最大位移為0.686 48 m，由人工波(C波)控制；結構X方向最大層間位移角為1/164，由人工波(C波)控制，Y方向最大層間位移角為1/188，由天然波1(A波)控制。最大彈塑性層間位移角均小于規范1/100的限值，滿足“大震不倒”的抗震設防要求。

2)在罕遇地震作用下，結構X方向最大基底剪力為38 808 kN，由人工波(C波)控制，約為小震作用CQC組合的3.29倍；Y方向最大基底剪力為36 306 kN，由天然波2(B波)控制，約為小震作用CQC組合的3.34倍。

3)X方向最大基底傾覆力矩為1 797 700 kN·m，由天然波1(A波)控制；Y方向最大基底傾覆力矩為1 659 800 kN·m，由人工波(C波)控制。以上結果說明：結構在罕遇地震作用下已有構件屈服，產生塑性變形，結構整體承載力及剛度有所下降，但仍具有一定的剛度和承載能力，保持“大震不倒”。

4)鋼連梁阻尼器形成飽滿的滯回曲線，在6條地震波罕遇地震作用下，粘滯阻尼器全部進入耗能狀態，且受力未達到極限承載力，位移未超過極限位移，這說明鋼連梁阻尼器是結構耗能的一種主要構件，充分耗散地震能量，可提供相當的附加阻尼比，減小結構地震作用。

[1] 丁大鈞.高層建筑結構體系(1)[J].工業建筑，1998(8):191.

[2] Sherif EI-Tawil K A H. Recommendations for seismic design of hybrid of coupled wall systems[G].2010.

[3] Li X,Lv H, Zhang G, et al. Seismic behavior of replaceable steel truss coupling beams with buckling restrained webs[J]. Journal of Constructional Steel Research,2015(104):167-176.

[4] 李冬晗,張沛洲,歐進萍.雙肢剪力墻耗能連梁剛度對整體抗側剛度的影響及分析[J].地震工程與工程振動,2014(4):148-153.

[5] 周 云,劉 季.新型耗能(阻尼)減震器的開發與研究[J].地震工程與工程振動,1998(1):71-79.

Application research of continuous steel beam damper in frame-core wall structure

Wang Zhixian

(ShanghaiAcademyofTextileBuildingDesign,Shanghai200060,China)

Combining with engineering examples, the paper introduces the design concept of continuous steel beam damper in frame-core wall structure, establishes Perform 3D model, and carries out dynamic time-history analysis of using continuous steel beam damper. Results show that: continuous steel beam damper can fully dissipate seismic energy, provide added damping ratio, and reduce structural seismic response as well.

frame-core wall structure, continuous steel beam damper, dynamic time-history analysis, seismic wave

1009-6825(2016)16-0025-03

2016-04-03

王志嫻(1965- )，女，高級工程師

TU352

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