帶有非對稱阻尼器的柔性結構抗震性能研究★

Nika 朱華年 方 鑫 盧文勝

(同濟大學,上海 200092)

0 引言

在抵抗水平地震和風荷載作用時，現代建筑已逐漸從單純提高剛度和強度轉變為適度增加變形與耗能性能，越來越多的高性能柔性結構得到設計和應用。國際上，建筑結構基于性能的抗震設計與評估成為研究熱點，不僅是結構安全性能，而且對建筑結構的舒適性、功能性和經濟性提出了更高的要求[1]，也開始影響主體結構構件和非結構構件的耦合設計[2,3]。

以某長周期高層建筑為工程背景，其外玻璃幕墻的支撐系統為大型復雜非結構構件，經過仔細研究后可以對其進行優化[4,5]。此非結構構件通過吊桿懸掛在加強層上，可傳導和承受豎向地震作用反應位移；地震時，若吊桿受壓屈曲，可能導致懸掛在吊桿上的玻璃面板損壞，從而構成安全威脅和功能喪失，造成巨大的經濟損失[6]。

研究認為，該大型復雜非結構構件的力學行為具有一定的結構化趨勢，其對荷載和位移的傳遞作用以及阻尼分布等可能影響主體結構的性能。為了確保地震時吊桿始終保持受拉，區別于原建筑中無摩擦軸套加附加質量的設計思路，作者使用非對稱阻尼器，并進行了相關力學性能研究分析[7,8]。

據此建立帶有非對稱阻尼器的柔性結構的OpenSees模型，研究無阻尼器、帶粘滯阻尼器或摩擦阻尼器的整體結構地震反應，分析柔性結構中次結構對主結構的影響，驗證增設非對稱阻尼器對結構抗震性能的有利作用。

1 柔性結構模型構建

常見的阻尼器在外力或者位移作用下保持力學性能的對稱性。本研究涉及吊桿這種具有單向受力特征的構件，因此設法將阻尼器滯回曲線沿力軸適當偏移，并將此命名為非對稱阻尼器，包括非對稱粘滯阻尼器(簡稱為AsVD)和非對稱摩擦阻尼器(簡稱為AsFD)，類似于汽車工程中使用的減震器。

采用OpenSees建立長周期柔性結構的簡化模型。對該類結構模型進行了許多分析、測試和簡化，其中大多數采用了復雜的三維模型[7,8]。與三維模型和實際結構本身相比，通過二維建模聚焦柔性結構地震反應的關鍵特征，并重點模擬非對稱阻尼器的關鍵影響，總體分析結果是合理可信的。

在OpenSees中構建三種模型。第一種:將整體結構簡化為柔性懸臂柱，頂部等效集中質量，結構參數匯總于表1中。無阻尼器柔性結構的基本模型(簡稱為BSS)如圖1a)所示；第二種:使用AsVD，通過帶有AsVD的次結構豎向構件與主結構連接(簡稱為VSS)，如圖1b)所示；第三種:與第二種類似，為采用AsFD的結構模型(簡稱為FSS)。

表1 主體結構參數

2 帶有非對稱阻尼器的柔性結構抗震性能分析

2.1 結構自振周期

BSS模型的自振周期為9.48 s。在增設阻尼器后，整體結構阻尼比對系統周期的影響可忽略不計，計算結果顯示VSS模型自振周期仍為9.48 s，而FSS模型自振周期減小為9.25 s，見表2。

2.2 地震波輸入

基于原結構設計規范及地質勘探報告等，選取四種地震波輸入[4,5]。對簡化的二維模型，僅選取產生最不利反應的單向地震波。由于較高水準的地震波會引起非線性反應(本研究未考慮)，因此采用基本地震水準。地震波輸入參數如表3所示，時程曲線及反應譜如圖2所示。

表2 結構自振周期 s

表3 地震波輸入

2.3 位移反應

在MEX地震波激勵下，可看出使用阻尼器減小了結構位移反應幅值。其中最大水平位移為0.69 m，VSS模型的效果要比FSS模型稍差。

但在US地震波激勵下，使用阻尼器的結構位移反應反而增大，原因在于US反應譜對于較長周期的加速度仍保持在0.1g以上，但在初始沖擊之后，BSS模型結構位移減小速度較前兩者更慢。

人工波S790在最初的40 s內給予一個具有規則峰值的恒定加速度輸入，這個反應與增加阻尼器后結構反應相符。BSS模型、VSS模型和FSS模型的最大水平位移分別為0.47 m，0.43 m和0.40 m。顯然最大反應值發生在BSS模型中，表明結構在短時間內受到地震波激勵。

人工波SHW3是基于對上海地區局部斷層運動傳遞機制的分析而得到的，這即是無阻尼結構的位移幾乎在整個地震波激勵時間內都增加的原因。有阻尼結構的反應是類似的，但幅值較小。使用VSS和FSS模型后最大位移分別從BSS模型的0.65 m減少到0.60 m和0.54 m。

分別將VSS,FSS模型的位移反應與BSS模型進行比較，最大值匯總參見表4。

表4 最大水平位移 m

表5結果表明有阻尼器加強結構的位移角較小。而在采用了AsVD和AsFD的模型中，該位移角值分別減小了7%,25%，但在US地震波情況下例外，此時位移角增加了3%。

表5 最大位移角

這些反應具有相同的變化趨勢：使用阻尼器加強的模型具有較小反應幅值，但US地震波輸入情況下例外，其位移反應是增加的。相比之下，使用AsFD的模型比AsVD效果更好。

2.4 加速度反應

在有阻尼器加強的結構中加速度反應的表現有所改善。相比于AsVD，采用AsFD時該反應降低更多。且與位移反應不同，即使在US地震波輸入的情況下，加速度數值也會降低。具體結果如圖3所示。

2.5 剪力和彎矩反應

除了US地震波輸入的結果外，對于其他三種地震波輸入，可看到從BSS模型到VSS模型再到FSS模型的剪力和彎矩值均有所下降。表6列出了三種不同模型的剪力和彎矩值。

表6 剪力和彎矩反應峰值

2.6 VSS和FSS模型的滯回反應

下面比較了兩種不同阻尼器滯回反應情況。VSS和FSS模型的參數設置是為了保證兩者在耗能方面具有相似的滯回曲線。圖4給出的曲線展示了非對稱性能——力恒為正值，證明了很好的非對稱特征。

3 結論

以某長周期高層建筑為工程背景，考慮大型復雜非結構構件的非對稱力學需求，將兩種新型非對稱阻尼器應用在主體結構地震反應分析中，獲得了以下主要結論：

1)通過對帶與不帶新型非對稱阻尼器的結構位移時程的觀察結果表明，帶新型阻尼器的主體結構抗震性能得到了改善；

2)非對稱阻尼器在地震反應過程中阻尼力恒為正值，滿足了大型復雜非結構構件非對稱力學性能需求；

3)比較結構地震位移、加速度、剪力、彎矩等反應結果，可知采用摩擦型非對稱阻尼器對改善主體結構的抗震性能更大；

4)在柔性結構考慮次結構及其分布式阻尼效應方面可作進一步研究。