建筑結構空間減震性能優化技術研究

田少華，劉康寧

(1.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，濟南 250003；2.山東省建筑設計研究院有限公司，濟南 250001)

1 引言

地震是全球較頻繁的一種自然災害， 其造成的破壞也是很大的。建筑物在地震中會受到損傷，從而加快自身毀壞[1]。為防范地震給人們帶來的巨大災難， 國內外學者在積極開展地震危險性預警研究[2]。由于地震隨機特性和預警系統的滯后特性，使得對地震的早期預警效果很差[3]。因此，通過合理的結構抗震設計來改善建筑物抗震性能，是防震減災的根本措施。 傳統的抗震體系是強度抵抗型，即加大結構強度，利用結構彈塑性變形吸收能量，但由于結構截面加大、剛度增加、質量增大，相應的地震效應會增大，結構經濟性差。 結構減震技術能夠有效達到減震和耗能目的，在結構中設置黏滯阻尼器，不僅能消耗地震能量，而且能有效控制結構變形。 本文探討在不同設計參數及布置方式下黏滯阻尼器的抗震性能， 并確定最終設計方案，為工程實踐提供一定的借鑒意義。

2 基于黏滯阻尼器的建筑結構空間抗震性能優化技術

在地震能作用下，通過增加構件或設備能夠迅速、充分地消耗建筑物吸收的地震能， 從而降低建筑結構地震響應。 另外，耗能裝置還可增強結構主體剛度，從而達到更好的減振效果。 黏滯阻尼器主要是由鋼板和黏性液體組成，主要布置在建筑結構的墻壁中。 內鋼和外鋼分別固定在上下部墻體結構上，且內鋼在上下結構中具有面內可移動性。 外部震動使得上下層鋼板產生相對運動，從而使得內部黏性液體剪切變形，形成阻尼力消耗地震引起的能量波動，從而達到抗震效果。 從黏滯阻尼器的原理來說，阻尼力能削弱建筑的結構振動，但實際結構的復雜阻尼特性導致難以精準確定振動的位置。 因此，一般將阻尼器的阻尼設為線性阻尼。 當地震荷載作用時，隨著結構側向變形受力增大， 阻尼器消能結構會率先進入非彈性變形狀態，產生較大阻尼，大量消耗輸入結構的地震能量，迅速消減建筑結構的地震反應，從而達到保護建筑主體結構的作用。

建筑結構的抗震性能與結構的附加阻尼和地震波的特性密切相關。 對于具有黏滯阻尼裝置的結構，其阻尼比不宜超過0.25。 地震時多數建筑結構都會引起地震帶來的振動放大，可通過調節減震結構的阻尼比，來降低其在地震作用下的反應。黏滯阻尼器不同的連接方式對于結構在地震作用下的影響也是不同的，單斜撐、交叉斜撐等連接方式在實際建筑工程中應用較多。 從目前研究來看，研究者在阻尼器結構的目標函數問題上已經取得不錯成果，得出以頂層位移、層間位移角等控制目標的目標函數。 此外，振型也是重要的控制目標研究方向，以振型為控制目標的目標函數通過時程分析進行樓層情況分析，利用多次循環的方式確定最大指標的位置，然后對阻尼器結構矩陣進行對應修改，從而優化結構的豎向位置設計。

黏滯阻尼器是一種被動控制設備，主要用于高層建筑。 對于耗能減振結構，當使用黏滯阻尼器時，其阻尼系數、阻尼指標等參數不同時，其減振效果也有所不同。 阻尼系數會直接影響阻尼器效果，不同參數下的阻尼力之間存在較大差異，還需考慮到諸如黏滯阻尼器元件自身的磨損與失效。

3 基于黏滯阻尼器的建筑結構空間抗震性能優化技術仿真實驗

3.1 考慮黏滯阻尼器參數的建筑結構抗震性能驗證

此次研究基于以“L”形非規則鋼筋砼框架為主體的工程實例。主體結構共15 層，總高60.2 m，第1～4 層樓高4.6 m，其余層樓高3.8 m。 該建筑物在橫向共有7 跨，每跨跨度6.1 m，全長42.7 m；縱向共有5 跨，每跨跨度6.1 m，總寬度30.5 m。本項目選擇EL-Centro 地震波為試驗波形。 本研究選取的建筑物共15 層，每一層最大層間位移隨著黏滯阻尼器數量的增加而減小。 此次實驗共采用110 個黏滯阻尼器，選擇人字形連接方式的黏滯阻尼器布置方式。實驗采用SAP 2000 軟件輔助分析，該軟件適用于建筑結構設計、分析與研究，可以對鋼筋混凝土、鋼筋、混雜結構進行設計與分析，其分析功能涵蓋了建筑工程學的所有方面。 本文所選擇的單體建筑結構，安全等級為二級，設計工作年限為50 a，其抗震設防烈度為8 度（0.20g）。

當建筑結構產生過大的變形時， 黏滯阻尼器的控制效果就會趨近于零。 此時阻尼器就不會為原建筑結構增加附加剛度，也不會對建筑結構的自振周期產生較大程度的影響，不會導致周期發生較大的變動。 黏滯阻尼器能夠在保證原有結構減震性能的前提下，提高減震效果。 在使用黏滯阻尼器時，必須先確定其阻尼系數及阻尼指標，才能確定其阻尼力。 方案1的阻尼系數為300 kN·s/m，阻尼指數為0.15；方案2 的阻尼系數與方案一保持一致，阻尼指數為0.30。

圖1 顯示了在EL-Centro 地震波激勵下， 兩種不同抗震方案及原有結構的位移結果。 結果表明，在地震作用下，原有結構的最大樓層位移明顯降低。 在EL-Centro 波作用下，方案2 比原建筑結構橫向減少69.59%， 縱向減少55.47%； 方案1比原建筑結構橫向減少46.23%，縱向減少31.76%。 由圖1 中數據可知，抗震結構的橫向減震效果比縱向好，而且相較于方案1，方案2 的作用效果更明顯，說明阻尼指數較大時，其消能減震結構的耗能減震性能更優。

圖1 EL-Cent r o 波作用下兩種抗震方案的樓層位移結果

圖2 為EL-Centro 波作用下， 兩種抗震方案和原結構下的層間位移角。 圖2 中結果顯示， 對原結構加設黏滯阻尼器后，其黏滯阻尼器結構的最大位移角有很大程度的減小。 方案2 的作用效果更明顯，進一步驗證了當阻尼指數較大時黏滯阻尼器耗能減震性能更優的結果。

圖2 EL-Cent r o 波作用下兩種抗震方案下的層間位移角

3.2 考慮黏滯阻尼器位置的建筑結構抗震性能驗證

在實際工程中， 黏滯阻尼器的布置方式對結構的減震效應也有較大影響。 因此，對黏滯阻尼器布置方式進行合理選擇不但可以保證結構的安全性能，而且還可以減少使用數量，從而獲得更大的經濟利益。 以上述試驗中的單體結構為例，優化設置黏滯阻尼器結構方案， 并將其在不同布置方案中的抗震效果進行對比，為實際工程提供參考。 為了清晰展示不同阻尼器布置方案產生的結構抗震效果差異， 此次研究在阻尼器布置數量相同的條件下， 對兩種不同黏滯阻尼器位置布置方案進行實驗分析。 方案一：黏滯阻尼器在各層均勻布置，并在每層對稱布置7 個。 方案二：采用加權系數法對黏滯阻尼器進行布置。 該方法基本步驟為：第一步，求出該結構所需黏滯阻尼器總數；第二步，用原始結構層間位移角作為指數，求出每層層間位移角所占的全部層間位移角， 并求出每層所需黏滯阻尼器數量；第三步，將所有黏滯阻尼布置設置完畢。

通過對比分析， 發現兩種不同位置布置抗震結構相對原結構抗震效果較好。 圖3 結果表明，在EL-Centro 波作用下，最大和最小阻尼分別達到了82.45%和25.36%的水準，兩種布置方式都起到了相當的減震作用。 通過對兩種布置方式的比較，得出方案2 布置方式的抗震效果比方案1 更好。 表明合理布置黏滯阻尼裝置可以有效地改善建筑結構的抗震反應。

圖3 EL-Cent r o 波作用下位置布置方案的樓層位移結果

4 結論

此次研究分別進行了考慮黏滯阻尼器參數和考慮黏滯阻尼器位置的建筑結構抗震性能仿真實驗， 兩個實驗均設置了兩種方案。 最終實驗結果顯示：第一個實驗，在EL-Centro 波作用下， 方案2 比原建筑結構橫向減少69.59%， 縱向減少55.47%；相較于方案1 來說，方案2 的作用效果更佳，證明當阻尼指數較大時，阻尼器減震結構的耗能減震性能更優。 第二個實驗得出方案二布置方式的抗震效果比方案一更好的結論。 該研究可為工程實踐提供一定的借鑒意義。