某組合結構廠房阻尼比分析

范曉斌

(上海電氣集團國控環球工程有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

阻尼比在組合結構中已經超出了經典的結構阻尼，屬于非經典結構阻尼，雖然目前對于非經典結構阻尼的計算方法較多[1]，大多[2-4]采用復振型方法進行分析，但由于該方法的復雜性而未得到工程師的廣泛認可，而造成其取值成為目前國內比較具有爭議的問題，文獻[6]中11.3.5條給出了組合結構在多遇地震作用下的阻尼比可取為0.04；而在廣州432 m高西塔樓組合結構和山西中醫學院組合加層結構中取值阻尼比0.035，均不同于單一材料的阻尼比；文獻[5]中提到對于組合結構取單一阻尼比不合適，建議采用電算比較方便的應變能因子法進行抗震計算；影響阻尼比的主要因素是組成結構的材料剛度，但如何考慮剛度對阻尼比的量化取值，目前還沒有界定，本文從工程實踐出發，主要研究了鋼材對組合結構阻尼比的影響。

2 工程背景

某項目為組合結構，8度(0.02g)，場地類別Ⅲ類，地上8層，上部4層為鋼結構，下部為混凝土結構，層高6.5 m, 建筑高度52 m，主要構件截面如下所示：

1)鋼柱采用H500×500×18×22的鋼柱;2)鋼梁采用H650×300×18×20;3)混凝土柱采用b×h=750×750;4)混凝土梁采用b×h=450×600;5)支撐采用H400×400×21×28。

3 計算理論

組合結構中因使用了不同材料，經典阻尼矩陣已不能準確反映結構抗震性能，而在滿足工程需要的前提下MIDAS/GEN軟件通過應變能因子方法引入組阻尼比計算各個振型的阻尼比，其中結構的第i個振型的阻尼比可根據所有單元的第i振型的能量和來計算，即式(1)。

(1)

其中,ED為消散能;ES為應變能。

4 MIDAS/GEN建模及分析

4.1 結構模型

首先根據結構的特點與實際尺寸，按照實際工程尺寸分層建模[8]，如圖1所示。

然后經過Pushover分析得到結構塑性鉸分布如圖2所示，從圖2中可以看出結構的薄弱位置基本上均發生在三、四層位置，而且上部鋼結構部分的塑性鉸基本都發生在支撐和梁端，符合抗震主次構件的設計。

最后建立4+1,4+2,4+3,4+4 4種模型如圖3所示。

4.2 模態分析結果

表1 組合結構模型周期比

由表1中可以看出結構扭轉效應并不明顯，符合《高規》規定。

4.3 反應譜分析結果

4.3.1剛度比分析

剛度比是控制結構豎向不規則性和薄弱層的重要指標。文獻[7]第3.4.3條規定，“混凝土房屋、鋼結構房屋和鋼—混凝土混合結構房屋存在表3.4.3-2所列舉的側向剛度不規則，即其樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。”本文通過反應譜分析得到了該結構的薄弱層為第三、四層，即混凝土與鋼結構交接處及下一層為薄弱層，這與前面Pushover分析得到的結構基本一致，其各層側向剛度如表2所示。

表2 組合結構各層側向剛度

由表2可以看出結構在豎向存在不規則現象，當結構發生大震時極易在這個部位倒塌。且層剛度與層數關系不大，所以豎向不規則部位基本不變，在此不作贅述。

4.3.2層間角位移分析

通過圖4可以發現，無論是多遇地震，還是罕遇地震情況下，組合結構的層間角位移基本符合各自材料組成結構層間角位移與層高之間關系的曲線，而上部的鋼結構由于設置了支撐，普遍小于下部混凝土結構的層間角位移；最大層間角位移位置并未隨著鋼結構層數的增減而發生變化，都在3層～4層之間，這也再次證明了層數對層剛度的影響不大，即薄弱層也是層間角位移最大的部位；總體上來看，結構從彈性階段到彈塑性階段，其薄弱層即為該結構的關鍵部位，如圖3所示；通過關鍵部位及節點角位移相關數據整理分析，可以比較全面地反映結構的彈塑性階段的工作性能。

5 組合結構阻尼比的選取

5.1 單一阻尼比下的反應譜分析

考慮到層剛度主要與梁、柱及墻的截面尺寸和形狀及層高關系密切，所以本文通過結構從多遇地震到罕遇地震作用下，薄弱層由彈性階段到彈塑性階段的發展過程，以薄弱層層間角位移為指標，討論鋼結構不同層數下對單一阻尼比的影響關系，通過反應譜分析結果可知，4個模型下阻尼比關鍵層層間角位移如表3所示。

表3 組合結構薄弱層單一阻尼比下層間角位移 rad

5.2 組阻尼下的反應譜分析

考慮到層剛度主要與梁、柱及墻的截面尺寸和形狀及層高關系密切，所以本文通過結構從多遇地震到罕遇地震作用下，薄弱層由彈性階段到彈塑性階段的發展過程，以層間角位移為指標，討論不同材料不同層數下對組阻尼比的影響關系，通過反應譜分析結果可知，4個模型下阻尼比關鍵層層間角位移如表4所示。

表4 組合結構薄弱層應變能因子法層間角位移 rad

5.3 兩種分析方法下進行比較

運用4種模型選用單一阻尼和組阻尼分別計算得到的薄弱層層間角位移，通過分析比較可知，阻尼比的選取對混合結構在地震作用下的分析影響較大，且與組成結構的材料剛度有著密切的關系，從數據中可以看出4+4模型中當單一阻尼比取0.032時與組阻尼下計算的層間角位移基本一致，而隨著鋼結構層數的減少單一阻尼比選的越大，與組阻尼下計算的結果也就越接近。

6 結論

通過上述數據分析，本文提出在進行類似組合結構地震作用計算時阻尼系數應取ζ=0.03～0.045，即:當鋼結構所占組合結構的剛度達到50%以上時，宜取阻尼比ζ=0.03～0.032；當鋼結構所占組合結構的剛度達到40%～50%時，宜取阻尼比ζ=0.032～0.035；當鋼結構所占組合結構的剛度達到30%～40%時，宜取阻尼比ζ=0.035～0.038；當鋼結構所占組合結構的剛度小于30%時，宜取阻尼比ζ=0.038～0.045。