不同抗震機制框架結構抗震性能對比研究

杜定發

傳統抗震結構、消能減震結構和隔震結構是常見的三種采用不同抗震機制的建筑結構[1]。在地震動作用下，三種不同抗震機制的建筑結構，分別通過“抗”、“消”和“隔”的形式，抵抗地震動作用，消減和隔斷地震動能量輸入，以使建筑結構達到抗震的目的。

采用不同抗震機制的建筑結構，其抗震性能也明顯不同，本文將分別對三種不同抗震機制框架結構的抗震性能加以定量分析，并對其進行對比研究。

1.結構計算模型

對同一框架結構而言，采用不同抗震機制后，其抗震效果將有明顯不同，鑒于此，本文對一簡易框架結構做三種不同抗震設置，如圖1 所示，以分析和對比三者之間的抗震性能。

圖1 結構計算模型

本文分析中采用單自由度動力時程分析系統軟件，即NONLIN 軟件。在該軟件的結構模型中，框架結構、阻尼器和隔震支座可以設置為非線性的力—變形關系，與此同時，結構模型中的支撐是線性的，減振裝置阻尼可以是線性或非線性的，此外，可在計算時考慮P-△效應。

2.計算參數分析

NONLIN 軟件中，結構模型的剛度矩陣包含5 個部分，如公式（1）所示。

結構模型質量假定為集成的，質量矩陣為：

結構模型阻尼矩陣組成如下：

在分析和計算中，分別對三種不同的結構模型輸入相應的參數，同時對三種不同結構模型之間的相同裝置，輸入相同的參數，如表1 所示。

表1 結構模型參數

在分析和計算中，為使分析結果更加科學和有效，本文選取EL CENTRO 地震波，作為三種不同抗震機制框架結構模型的地震動輸入[2]。

3.基于位移、速度和加速度時程分析的結構抗震性能分析

在地震動作用下，建筑結構的損傷可采用位移、速度和加速度等響應值加以定量分析[3]。因而，本文利用數值分析軟件，以位移、速度和加速度為對象，進行三種不同抗震機制結構模型受地震動作用時的時程分析和對比，從而評價三種結構模型在同一地震動作用下的結構響應差異。

在分析過程中，本文利用NONLIN軟件分別計算并繪制了三種結構模型頂部位移時程曲線、速度時程曲線和加速度時程曲線，以頂部位移時程曲線為例，繪制如圖2 所示。

由圖2 可得各結構模型頂部位移正負向值，如表2 所示。由表2 可知，簡易框架頂部的位移最大，加支撐及阻尼器框架的位移最小。

圖2 簡易框架頂部位移時程曲線

表3 表示各結構模型頂部速度正負向值。由表3 可知，加支撐及阻尼器框架頂部的速度最大，簡易框架的速度最小。

表4 表示各結構模型頂部加速度正負向值。由表4 可知，隔震框架頂部的加速度最大，簡易框架的加速度最小。

由表2、表3 及表4 可知，簡易框架頂部位移最大，但速度和加速度最小；加支撐及阻尼器框架頂部的速度最大，但位移最小；隔震框架頂部的加速度最大。因而，以單個響應值來分析和評價上述結構的抗震性能，其結果是有較大差異的，即在地震動作用下，以某一個響應值全面評價某種抗震機制框架結構的抗震性能，具有一定的困難。

表2 各結構模型頂部位移正負向值

表3 各結構模型頂部速度正負向值

表4 各結構形式頂部加速度正負向值

4.基于能量平衡方法的結構抗震性能分析

考慮到單個響應值在抗震性能全面評估中的局限性，日本著名學者秋山宏提出了一種基于能量平衡的建筑結構地震響應預測方法，該方法重點分析地震動對建筑結構的能量輸入及分配等問題，相應方法可用以下公式予以表示[4]：

式中：sWe—彈性振動能；sWp—累積塑性變形能；sWd—框架結構耗能；DWe—隔震結構彈性振動能；DWp—阻尼累積塑性變形能；DWd—阻尼耗能。

經分析，各結構模型的恢復力和阻尼力的荷載-變形關系曲線如圖3、圖4及圖5 所示。

由圖3、圖4 及圖5 可知，sWd隔

圖3 簡易框架結構恢復力和阻尼力的荷載-變形關系曲線

圖4 加支撐及阻尼器框架結構恢復力和阻尼力的荷載-變形關系曲線

圖5 隔震框架結構恢復力和阻尼力的荷載-變形關系曲線

此外，公式（4）中“sWp”可表示建筑結構在地震動作用下所受到的損傷，因而可以進一步得出以下結論：以本文三種不同抗震機制的結構模型及其相關參數為例，在同一地震動作用下，簡易框架結構損傷最大，隔震框架結構損傷最小。綜上所述，基于能量平衡方法的結構抗震性能分析發現，在綜合抗震性能方面，隔震框架結構的表現最好，加支撐及阻尼器框架結構次之，簡易框架結構最差。

5.結論

本文應用數值分析軟件，分別對采用三種不同抗震機制結構模型的抗震性能進行了相關分析及對比研究，得出以下結論：

（1）在地震動作用下，位移、速度、加速度等單個響應值在抗震性能全面評估中，具有較大的局限性，即選擇不同響應值進行分析和評估時，對建筑結構抗震性能的評價結論有較大差異；

（2）以本文三種不同抗震機制結構模型及其相關參數為例，從能量平衡的角度分析發現，在綜合抗震性能方面，隔震框架結構的表現最好，加支撐及阻尼器框架結構次之，而簡易框架結構相對較差。

鑒于抗震結構模型設置以及相關構件參數的多樣性，后續可進一步研究：根據不同建筑結構特點和工程實際，通過改變傳統抗震、消能減震和隔震三種結構的相關抗震設置，分析三者之間的抗震性能差異；同時，對同一抗震機制結構模型，改變其構件的相關參數（如阻尼器的參數等），定量分析其抗震性能變化。