復(fù)合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震探究

摘 要：本文主要分析了復(fù)合金屬阻尼器力學(xué)參數(shù)，重點(diǎn)介紹了在高層建筑中復(fù)合金屬阻尼器的應(yīng)用情況，它不僅能夠減少高層建筑層間位移角和墻與連梁的破壞程度，而且還可以使高層建筑的抗震性能得到有效提升。通過對復(fù)合金屬阻尼器的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期為高層建筑的抗震提供可靠的保障，創(chuàng)造出最大化的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

關(guān)鍵詞：高層建筑;復(fù)合金屬阻尼器;抗震效果

近些年來，在高層建筑施工階段，消能減震技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其不僅可以有效突破傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)存在的缺陷和不足，而且還能夠有效改善結(jié)構(gòu)抗震性能，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果。地震所產(chǎn)生的能量可以通過消能裝置引向特別設(shè)置的元件或機(jī)構(gòu)，以達(dá)到吸收和耗散的目的，進(jìn)而提高建筑主體結(jié)構(gòu)的安全性，根據(jù)消能機(jī)理不同可以將消能裝置分為位移和速度兩種，前者分為金屬消能器與摩擦消能器，而金屬消能器包括軟鋼阻尼器、復(fù)合金屬阻尼器，后者分為粘彈性消能器和粘滯消能器，不管是結(jié)構(gòu)構(gòu)造，制作成本還是在耗能能力方面，復(fù)合金屬阻尼器都具備比較好的表現(xiàn)，因此在高層建筑設(shè)計(jì)和施工中得到廣泛應(yīng)用。

如今，隨著城市化的發(fā)展，高層建筑如雨后春筍般涌現(xiàn)，而在高層住宅中剪力墻結(jié)構(gòu)的高層住宅占比達(dá)到了90%，這就對剪力墻結(jié)構(gòu)的消能減震提出了較高的要求。目前，越來越多的學(xué)者開始對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行研究，研究內(nèi)容主要集中在耗能、設(shè)縫裝置等方面，如組合填充耗能剪力墻、帶縫耗能剪力墻及搖擺耗能剪力墻等。與普通剪力墻結(jié)構(gòu)的滯回性能、延性相比，上述方法得到了明顯的優(yōu)化，并取得了不錯的效果，但是施工起來相對比較麻煩。而復(fù)合金屬阻尼器能夠有效解決上述問題，本文將會對高層建筑施工過程中，復(fù)合金屬阻尼器的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，以期達(dá)到理想的耗能減震效果。

1 復(fù)合金屬阻尼器力學(xué)參數(shù)

圖1 復(fù)合金屬阻尼器力學(xué)模型示意圖

在建筑結(jié)構(gòu)被動控制體系中，復(fù)合金屬阻尼器屬于比較常用的耗能裝置，可以起到比較理想的抗震效果。在地震作用下，通過塑性剪切滯回變形復(fù)合金屬阻尼器可以耗散輸入結(jié)構(gòu)中的地震能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減震的效果。在進(jìn)行高層建筑施工過程中，按照要求設(shè)置耗能裝置，可以有效提高建筑結(jié)構(gòu)的剛度，進(jìn)而降低建筑結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)，此外耗能裝置也可以為建筑結(jié)構(gòu)提供相對比較大的附加阻尼，使地震中輸入結(jié)構(gòu)的能量得到充分耗散，進(jìn)而達(dá)到衰減結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。圖1描述的是復(fù)合金屬阻尼器力學(xué)模型。

復(fù)合金屬阻尼器滯回曲線可以通過下述公式進(jìn)行確定：

式中：表示復(fù)合金屬阻尼器屈服力;表示復(fù)合金屬阻尼器承受的極限荷載;表示復(fù)合金屬阻尼器屈服位移;表示復(fù)合金屬阻尼器極限行程;表示復(fù)合金屬阻尼器的初始剛度;表示復(fù)合金屬阻尼器的第二剛度; 表示復(fù)合金屬阻尼器的等效剛度。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某高層建筑采用了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其總高度97.65m，地下2層，地31層。抗震設(shè)防烈度設(shè)定為8度（0.20g），建筑場地類別為三類，剪力墻抗震等級一級，框架抗震等級為一級，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2。本次研究過程中，借助PERFORM-3D和SAP2000有限元軟件對該工程進(jìn)行復(fù)合金屬阻尼器裝與不裝兩種情況進(jìn)行模態(tài)分析，并探究和分析了地震時程反應(yīng)情況。

2.2 阻尼器布置與參數(shù)設(shè)置

結(jié)合消能元件的圍護(hù)和布置原則，對高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)選擇了附加墻的方式來對復(fù)合金屬阻尼器進(jìn)行科學(xué)、合理的布置。該過程中，以混凝土墻體為復(fù)合金屬阻尼器提供相應(yīng)的支撐，這樣既能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的支撐剛度，而且還不會對墻體自身的建筑功能造成破壞。通過對建筑格局和結(jié)構(gòu)形式等因素進(jìn)行綜合考慮后，布置了100個阻尼器，在 X向、Y向沿2層-26層，每層各布置 2個阻尼器。通過對幾種軟件模型分析結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，該有限元模型是切實(shí)可行的，結(jié)構(gòu)前6階周期對比數(shù)據(jù)如表1所示。

3 復(fù)合金屬阻尼器應(yīng)用結(jié)果分析

該工程中一共選擇了兩條三類場地波LWD_90波、基于地震分組和場地類別生成的人工波、namjyeong-2.

3.1 結(jié)構(gòu)彈性地震響應(yīng)分析

借助SAP2000有限元軟件對高層建筑結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了8度中震和8度小震下的地震響應(yīng)分析，并優(yōu)化和調(diào)整了消能阻尼器的布設(shè)位置、動力參數(shù)和數(shù)量，對結(jié)構(gòu)減震前后相關(guān)參數(shù)的變化情況給予考察，以便對復(fù)合金屬阻尼器減震效果進(jìn)行分析。在小震作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)變形較小，從而導(dǎo)致進(jìn)入屈服階段的復(fù)合金屬阻尼器數(shù)量比較少，致使阻尼器并未真正發(fā)揮耗能效果，該階段要考慮復(fù)合金屬阻尼器對高層建筑結(jié)構(gòu)提供的附加剛度。

通過對圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在8度設(shè)防地震作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)層間所產(chǎn)生的位移超過了其設(shè)定的彈性限值，然而與塑性限值存在比較大的差距，致使高層建筑結(jié)構(gòu)主體處于彈性狀態(tài)。復(fù)合金屬阻尼器安裝后，不僅可以提高結(jié)構(gòu)整體剛度，而且還可以降低各層層間位移角，且隨層高變化X向降幅呈現(xiàn)先大后小的趨勢，Y向降幅呈現(xiàn)增大趨勢。同時，復(fù)合金屬阻尼器安裝后，可以有效控制結(jié)構(gòu)的水平變形情況，進(jìn)而達(dá)到抗震效果。

3.2 結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)分析

對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，在9度中震作用下，可以獲取人工波工況下高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角發(fā)生的變化情況，如圖3所示。

通過對圖3進(jìn)行分析得知，復(fù)合金屬阻尼器安裝后，高層建筑結(jié)構(gòu)各層層間位移角均出現(xiàn)了變小的趨勢，并且層間位移角在X向的平均減震率高達(dá)6.0%，隨著樓層高度的不斷增加，層間位移角平均減震率表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。同時，層間位移角在Y向平均減震率高達(dá)11.5%，隨著樓層高度的不斷增加，其減震效果更理想。

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震體系下，剪力墻屬于第二道防線，并取得了比較理想的抗震效果。此時可以通過對減震前變形最大的剪力墻的轉(zhuǎn)角時程曲線進(jìn)行提取，并與減震后該墻肢對比，結(jié)果如圖4所示。通過對圖4進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該墻肢，減震前最大轉(zhuǎn)角為0.0054，而減震后下降至0.0042，降低了23.2%。

通過對高層建筑結(jié)構(gòu)模型實(shí)施9度罕遇地震下所產(chǎn)生的彈塑性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，各時程作用下高層建筑結(jié)構(gòu)層間位移角如圖5所示。在人工波作用下，原模型最大層間位移角為1/100，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范限制。在各時程波下，減震模型的層間位移角出現(xiàn)了不同幅度的下降，而且隨著樓層高度的增加降幅更加明顯，高層建筑結(jié)構(gòu)Y向平均減震率為14.6%，X向?yàn)?5.4%。

在地震過程中，基底剪力可以反映結(jié)構(gòu)承受的總地震力大小，通過對其進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在減震后高層建筑結(jié)構(gòu)Y方向平均底部剪力減小了18.7%，X方向減小6.7%，如圖6所示。在原模型荷載作用下選取的剪力墻已然破壞，并且最大壓應(yīng)變?yōu)?885 με，但是在減震模型中，剪力墻所產(chǎn)生的最大壓應(yīng)變?yōu)?543με，下降了18.2%。

4 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)與施工過程中，引入復(fù)合金屬阻尼器，不僅在小震下可以為建筑結(jié)構(gòu)提供附加阻尼和附加剛度，而且在大震下還可以達(dá)到比較理想的減震效果，進(jìn)而提高建筑結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。

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作者簡介：田曉燕（1985-1），女，山西五臺人，漢族，本科學(xué)歷，工程師，研究方向：技術(shù)管理。