金屬阻尼器在框架結構抗震設計的應用研究

黃 潔，姚 激，蔣 欣，袁 磊，王可花

(1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500； 2.云南建設學校，云南 大理 671000； 3.山東新達工程設計有限公司，山東 濰坊 677000)

0 前 言

醫院門診樓由于使用功能復雜，加上人們對建筑藝術效果的訴求，導則這類建筑結構不規則性問題較為突出。如何提高這類建筑在地震作用下的安全性，值得廣大結構設計師與科研工作者思考。提高不規則性建筑結構的抗震性能傳統的方法是增大構件截面尺寸，這種方法在提高結構的剛度的同時，也會因為結構質量與剛度增加而導致結構遭受的地震作用顯著增加。近些年來，人們研發了各種類型的減震阻尼器，每種阻尼器的減震作用原理有差異，減震效果也不相同。其中金屬阻尼器[1-2]具有一定的抗側移剛度，合理布置后可以改善結構整體的側向剛度分布，且安裝方便，因此在結構抗震中有較廣泛的應用。

云南某醫院門診樓采用現澆鋼筋混凝土框架結構，結構存在三項不規則，本文以該建筑為研究對象，通過在結構上布置剪切型金屬阻尼器[3]，研究金屬阻尼器在改善結構的不規則性以及提高結構抗震性能的作用效果。

1 工程簡介

門診樓為現澆鋼筋混凝土框架結構，建筑總高為21.55 m，一層地下層，地上5層，第6層為出屋面樓梯間，地上總面積為18 014.83 m2。框架梁主要尺寸為350 mm×700 mm、300 mm×600 mm等，框架柱主要截面為700 mm×700 mm、600 mm×600 mm、500 mm×500 mm等。構件采用 C30、C35兩種混凝土。結構梁柱主筋、箍筋均采用HRB400級鋼筋，其他采用HRB300級的鋼筋。抗震設防烈度7度(0.10g)，Ⅱ類場地，設計地震分組為一組，特征周期為0.35 s。建筑設計使用年限為50年，建筑耐火等級為二級。

2 結構規則性分析

通過建筑圖分析可知，由于中庭采光需要，項目中部樓板開洞面積較大，存在樓板不連續；另外由于建筑外觀與功能的需要，建筑凹凸不規則。采用YJK軟件分別建立原結構模型，通過分析得到:T1=0.9 640 s；T2=0.9 485 s；T3=0.850 9 s。第1扭轉周期(0.8509)/第1平動周期(0.9640)=0.88。在具有偶然偏心的規定水平力作用下，Y方向樓層兩端抗側力構件彈性水平位移的最大值與平均值的比值為1.27，發生在結構第5層，大于1.2，屬于扭轉不規則。考慮到質量或剛度偏心的不規則結構在地震作用下會發生側扭耦聯反應，造成結構抗震性能退化。研究決定采用在結構上布置剪切型金屬阻尼器，剪切型金屬阻尼器可以提供側移剛度，從而改善結構的不規則性，另外剪切型金屬阻尼器在地震作用下屈服耗能，也提高結構的地震作用下的安全性。剪切型金屬阻尼器布置方案如圖1所示，布置1～4層，其中1～3層每層28個，4層24個，總計108個。剪切型金屬阻尼器通過上、下鋼筋混凝土懸臂與主框架梁相連。金屬阻尼器參數見表1。

圖1 阻尼器布置圖

表1 金屬阻尼器參數

在建立YJK減震模型時，采用鋼扁柱代替金屬阻尼器與上、下鋼筋混凝土懸臂系統。鋼扁柱的側移剛度與金屬阻尼器和上、下鋼筋混凝土懸臂組成的系統側移剛度基本接近。在建立YJK減震模型以下稱為等待模型。采用YJK軟件，分析得到:T1=0.8 364 s；T2=0.8 238 s； T3=0.7 519 s。第1扭轉周期(0.7 519)/第1平動周期(0.8 364)=0.90。布置金屬阻尼器，增加了結構的剛度，因此等代結構的周期要小于原結構相應周期。等代結構的周期比滿足規范要求。另外，等代結構樓層兩端抗側力構件彈性水平位移的最大值與平均值的比值為1.23，發生在結構第5層，等待結構的扭轉位移比較原結構的扭轉位移比略有減少，但是結構仍然屬于扭轉不規則。

3 減震結構時程分析

根據YJK軟件計算結果可知，當在結構上布置剪切型金屬阻尼器后，可以改善結構的扭轉不規則性。對于布置方案，減震結構在多遇地震與罕遇地震作用下的力學響應是否滿足規范要求，剪切型金屬阻尼器的力學參數取值，均需要進行有限元時程分析得到。

3.1 有限元模型

考慮到布置剪切型金屬阻尼器的減震結構需要在有限元軟件Midas gen完成分析。將YJK軟件建立的模型導入有限元軟件Midas gen，對比兩個軟件模型差異滿足設計要求后，基于Midas gen軟件中，在指定位置布置剪切型金屬阻尼器，采用滯后系統-非線性彈性支承來模擬剪切型金屬阻尼器，采用平面單元模擬混凝土懸臂墻，得到減震模型，如圖2所示。

圖2 減震分析模型

3.2 地震波的選取

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2011)[4]5.1.2條規定，根據建設場地條件與結構的周期，選取了實際兩條天然地震波加速度時程曲線和一條人工模擬地震加速度時程曲線。本工程時程分析選擇的地震波時程曲線見圖3。

圖3 地震加速度時程曲線

三條地震波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在結構的前三階周期上的誤差最大為15%，小于20%。采用有限元軟件Midas gen，多遇地震下時程分析得到結構的底部剪力與振型分解反應譜法分析得到的底部剪力對比也滿足規范要求，這表明選取的三條地震波合理，可以用于本項目結構的減震分析。

3.3 多遇地震作用下的彈性時程分析

僅考慮剪切型金屬阻尼器的非線性，采用快速非線性分析法，分別輸入3.2節中的地震波，依據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2011)[4]5.1.2條第3款規定，地震波的峰值加速度為35 cm/s2，對模型進行多遇地震作用下的彈性時程分析。考慮到分析模型為有斜交抗側力構件結構，最終地震波輸入方向分為正交方向與沿35°與145°方向，分析得到減震結構的地震響應。見表2～4。

表2 減震結構層間位移角(1/rad)(正交方向)

表3 減震結構層間位移角(1/rad)(35°方向)

表4 減震結構層間位移角(1/rad)(145°方向)

從表2～4可以看出，減震結構的層間位移角X方向最大值為1/1187，Y方向最大值為1/905，均小于1/550，滿足規范要求。正交和斜交方向地震作用下的位移角分析可知，地震作用最不利方向為正交方向，以下研究以正交方向地震輸入為主。

表5給出了樓層金屬阻尼器最大阻尼力與該樓層屈服剪力的比值。從表5可以看出，減震結構布置阻尼器的樓層中，阻尼器的最大阻尼力在水平方向上分量之和不大于樓層層間屈服剪力的60%，滿足《建筑消能減震技術規程》[5](JGJ 297—2013)第6.2.2條要求。

表5 阻尼器最大阻尼力與樓層屈服剪力的比值

另外，多遇地震作用下，大部分阻尼器處于彈性狀態。即多遇地震作用下，金屬阻尼器不為結構提供附加阻尼比，為結構提供側移剛度。

3.4 罕遇地震作用下的彈性時程分析

在利用Midas，對減震結構進行罕遇地震下的彈塑性時程分析時，金屬阻尼器采用采用滯后系統-非線性彈性支承，對于主框架梁、柱設置Midas自帶的非彈性集中鉸。Hilber-Hughes-Taylor逐步積分法, 依據抗震規范[4]，地震波的峰值加速度調整為220 cm/s2。分析得到結構的層間位移角如表6所示。

表6 減震結構層間位移角(rad)

從表6可以看出，減震結構的層間位移角X方向最大值為1/217，Y方向最大值為1/109，均小于1/50，滿足規范要求[4]，且具有較大的富余。

罕遇地震作用下，所有金屬阻尼器均已經屈服。典型金屬阻尼器的滯回曲線如圖4所示。從圖4可以看出，金屬阻尼器的滯回曲線呈現出二階折線受力模式，屈服后平臺段較長，表明金屬阻尼器延性很好。金屬阻尼器的滯回曲線飽滿，表明在罕遇地震作用下，金屬阻尼器耗能顯著。

(a)阻尼器2(RH1波X向)

(b)阻尼器71(RH1波Y向)圖4 金屬阻尼器滯回曲線

通過多遇地震與罕遇地震的時程分析，最終得到金屬阻尼器的參數見表7。

表7 金屬阻尼器性能規格表

4 結 論

1)通過在結構主框架梁上布置剪切型金屬阻尼器，可以改善結構扭轉不規則性帶來的不利影響，但是作用效果不顯著。

2)在多遇地震作用下，剪切型金屬阻尼器為不規則結構貢獻側移剛度，保證不規則結構多遇地震下滿足彈性要求；在罕遇地震作用下，剪切型金屬阻尼器先于主體結構屈服，消散輸入的地震能量，同時也為不規則結構貢獻一定的側移剛度，從而減輕了主體結構遭受的地震作用。布置剪切型金屬阻尼器可以提高不規則結構在地震作用下的安全性。

3)通過多遇地震下的彈性時程分析與罕遇地震作用下彈塑性時程分析，研究得到本項目的金屬阻尼器力學參數。

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