软钢阻尼器对高层钢筋混凝土框架的减震分析①

骆春锋，施卫星，高 溪

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

0 引言

普通结构有梁、板、柱、墙等构件，在大地震作用下，构件吸收的能量巨大，使其进入弹塑性状态，严重的甚至屈服、破坏.传统结构抗震是通过增加结构本身的抗震性能(强度、刚度、延性)来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，这是被动消极的抗震对策［1］.结构减震控制是一条合理有效的抗震途径.耗能减震技术通过在房屋的某些部位设置耗能器，在大震作用下，消能器率先屈服并耗散大量输入结构的能量，从而保护主体结构.

自1972年Kelly等人［2］首先提出金属屈服耗能器以来，已经有大量的阻尼器被研制出来，其中软钢阻尼器是目前国内外广泛研究的各种耗能器中，构造简单、造价低廉、力学模型明确的一种被动耗能装置，屈服后在反复循环荷载作用下仍具有稳定的滞回特性［3］.软钢阻尼器通常通过支撑设置在结构的层间或者设置在剪力墙墙体中.

软钢阻尼器在高层混凝土框架结构中的应用还较少，本文首先介绍了软钢阻尼器的研究方法，然后运用SAP2000软件建立有限元模型，对设置了软钢阻尼器的高层混凝土框架结构进行动力时程分析，研究软钢阻尼器在大震时的减震效果和特点，为工程设计人员做相关设计提供参考.

1 软钢阻尼器的恢复力模型

当阻尼器的钢板发生塑性变形时，就能消耗地震的能量，提供给结构物阻尼.如下图1所示，荷载位移曲线所包含的面积，即为其在变形过程中所消耗的能量.

图1 某软钢阻尼器受往复荷载时的荷载－位移曲线

图2 双线性模型

目前软钢阻尼器常用的恢复力模型有双线性模型、Ramberg－Osgood模型和Bouc－Wen模型.由于双线性模型表达简单，物理意义清晰，所以目前工程中应用此模型较多［4］.图2给出了双线性模型，它是在图1的滞回曲线基础上简化得到的.

2 动力时程分析

2.1 结构模型与参数

分析模型为10层3跨的钢筋混凝土框架结构，层高均为3.5m，各跨均为7m，柱截面为550mm×550mm，梁采用 300mm×700mm，楼板厚120mm.混凝土强度 C35，软钢阻尼器屈服力取300kN，初始刚度750kN/mm，屈服后耗能器刚度比取0.025，软钢阻尼器用钢支撑布置在X向层间，每层一个，钢支撑采用 Q235的型钢，截面为HW300×300×10×15.结构布置图如图3.

结构的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2 g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，楼面附加恒荷载4kN/m2，活荷载2.5kN/m2.

图3 框架结构布置图

2.2 地震波选取

根据场地要求，选取Ⅱ类场地上常用的El Centro波.根据《建筑抗震规范》［5］对 8度区罕遇地震下地震波峰值加速度的要求，调整地震波的峰值为4m/s2.为了进行比较，分别对上述安装有阻尼器的有控结构和未装阻尼器的无控结构X向输入El Centro波.

2.3 计算结果分析

国家正在着手出台《结构振动控制设计规程》，它规定对结构抗震控制效果评价指标一共有12个，其中反应峰值的评价指标有4个，分别是J1，J2，J3，J4.J1表示有控结构所有楼层中最大位移反应与无控结构相对应的位移反应的比值，J2表示有控结构所有层间位移转角的最大值与无控结构层间位移转角的最大值的比值，J3表示有控结构所有楼层中最大加速度反应与无控结构的最大加速度反应的比值，J4表示有控结构所受的地震惯性力的最大值与无控结构的最大基地剪力的比值.下面的的计算结果分析中将涉及到这4个评价指标.

2.3.1 自振特性分析

结构加阻尼器前后的X向前三阶振型周期如表1.从表中可以看出加了阻尼器后结构刚度增加，故而周期有所减小.

表1 结构X向振型周期

2.3.2 位移与加速度分析

将无控结构和有控结构的顶点位移和加速度时程曲线画出如图4－图5所示.

图4 安装阻尼器前后顶点位移曲线

图5 安装阻尼器前后顶点加速度曲线

图4可以看出，加设软钢阻尼器后，结构的位移反应明显减小，而且衰减速度特别快.这说明阻尼器给结构附加了刚度和阻尼，明显增加了结构的耗能能力，达到了对结构振动进行控制的目的.加设阻尼器前结构的最大位移为0.2009m，加了阻尼器后，结构的最大位移降为0.1112m，J1=0.55，可见软钢阻尼器能大大降低结构在罕遇地震下的位移反应.

图5可以看出，加设软钢阻尼器后，结构的顶点加速度减小程度虽然不是很大，但是从整个时间历程来看，还是有明显的作用，特别是在前期，减震效果比较明显.无控结构的最大加速度为6.04m/s2，动力放大系数为1.51，有控结构的最大加速度为4.54 m/s2，动力放大系数降为1.14，J3=0.75，两者出现的时间基本相同.

画出结构各层层间位移角如图6，各层位移和绝对加速度的包络图如图7－图8.

图6 安装阻尼器前后层间位移角

图6可以知道，J2=0.53，软钢阻尼器可以显著减小楼层的层间位移，且相邻楼层的层间位移角的差值减小，这样有利于楼层整体受力，避免薄弱层的出现，适用于薄弱层的抗震设计［6］.

图7 安装阻尼器前后位移包络图

从图7可以明显看出有控结构的楼层位移比无控结构有明显的减小，效果十分显著.从图8易知加设软钢阻尼器后，除顶层外，其余各层的最大加速度均小于输入地震波的最大峰值，表现出明显的减震作用.而未加设阻尼器的结构大多数楼层的最大加速度都呈现放大效应.

2.3.3 楼层层间最大剪力分析

图9为在El Centro波(峰值加速度为4 m/s2)作用下，结构安装软钢阻尼器前后各楼层的层间最大剪力图.

图8 安装阻尼器前后加速度包络图

图9 安装阻尼器前后楼层最大剪力

从图中可以看出，J4=0.80，楼层层间最大剪力随层间刚度的增大而增大，结构每层的刚度基本相同，楼层越高层间刚度越小，所以层间最大剪力随楼层的高度增加而减小.安装阻尼器后，结构各层的剪力均明显下降，且越接近底层下降的越多.说明在一定范围内，层间刚度越大，阻尼器减震效果越好.这是由于软钢阻尼器使层间刚度变大，水平位移减小，P－△重力二阶效应对结构的影响减小，故接近底层剪力值增加量下降.

3 结论

通过对一幢10层钢筋混凝土框架结构输入罕遇地震下的地震波，对比加设软钢阻尼器前后结构在罕遇地震下的反应，包括自振周期、位移、加速度、层间剪力等，得到以下结论:

(1)在合理设计下，软钢阻尼器对结构在罕遇地震下的各项地震反应均有良好的减震效果，特别是对位移的控制明显，适用于薄弱层的抗震设计.

(2)软钢阻尼器能增加结构的整体刚度，特别是通过减小结构底部的水平位移，可以弱化P－△重力二阶效应对结构底部的不利影响.

(3)通过动力时程分析表明，钢筋混凝土高层框架结构适用于采用软钢阻尼器进行减震设计，其性能可靠，构造简单，具有很好的应用价值.

［1］周云.金属耗能减震结构设计［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2006:1.

［2］Kelly J M，Skinner R I，Heine A J.Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for Use in Earthquake Resistant Structures［J］.Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering，1972，5(3):63－88.

［3］李钢，李宏男.新型软钢阻尼器的减震性能研究［J］.振动与冲击，2006，25(3):66－72.

［4］朱旭东，吕西林，徐崇恩.软钢阻尼器基于Bouc－Wen模型的参数识别研究［J］.结构工程师，2011，27(5):124－128.

［5］中华人民共和国建设部.GB 50011－2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［6］李中军，李钢，李宏男，邢福国.消能减振技术在结构薄弱层中的应用［J］.结构工程师，2010，26(3):110－115.