软钢阻尼器加固底层柔性结构减震效果分析

黄 昆

HUANG Kun

(湖州职业技术学院，浙江 湖州313000)

在现代城市建筑中，大量的商场、写字楼、住宅楼等建筑由于建筑功能的需要，往往要将底层设置成层高较高的大空间结构。由于结构的底层层高增加而墙体减少，导致结构底层侧向刚度减弱，形成对抗震不利的底层柔性结构体系。在水平地震作用下，底层柔性结构的地震反应比较集中，结构底层的内力和变形均较大。当底层的水平位移不能得到有效控制时，结构在地震中将出现严重破坏，甚至会出现整体倒塌的危险［1］。

在进行结构设计时，一般是通过增加结构底层刚度的措施来减小结构的层间刚度比，但由于建筑功能的限制，增加底层刚度有时是很困难的。而且底层刚度的增加会减小结构的自振周期，从而使结构吸收更多的地震能量［2］。

近年来，建筑消能减震技术已广泛应用于实际工程当中，并取得一定的效果。其中，软钢阻尼器作为一种被动耗能装置，具有构造简单、造价低廉、力学模型明确的特点，软钢屈服后在反复循环荷载作用下仍具有稳定的滞回特性［3］。因此，本文提出利用软钢阻尼器对底层柔性结构进行减震加固，在结构的底层设置一定数量的软钢阻尼器实施被动耗能控制，通过建立结构振动方程，对一框架结构进行时程分析来研究该加固方法的减震效果。

1 结构运动方程

图1 为底层柔性结构，在结构底层设置软钢阻尼器。结构总层数为n，结构的质量、阻尼和刚度矩阵分别用M、C、K 表示。在水平地震作用下，结构的运动方程为:

l—单位列向量;

ud—被动阻尼力;

H—n ×1 维相应阻尼器的位置矩阵［4］。

将运动方程(1)用状态方程的形式表示:

求解状态方程(2)即可得到结构被动线性阻尼系统的动力反应［5］。

图1 结构减震加固模型

2 工程算例

以某6 层框架结构为算例进行加固前后的减震效果分析，其标准层平面见图2，底层层高为5.2 m，其余各层层高为3.6 m，柱网尺寸为8.4 m×7.6 m。由于底层层高较高而墙体较少，导致底层侧向刚度较小，上下层的刚度比超过2，结构属于底层柔性结构体系。采用软钢阻尼器对结构进行加固处理，在结构底层的纵横方向均布置12 组软钢阻尼器。框架结构主要参数见表1，结构阻尼比为0.05。软钢阻尼器采用Q235 钢板叠加而成，屈服后每组阻尼器提供的等效阻尼力为386 kN。地震反应计算中输入的地震波为El Centro 波，加速度峰值调至220 cm·s-2。

图2 标准层平面图

表1 框架结构主要参数

3 减震效果分析

根据以上参数，分别计算出了该底层柔性结构在有阻尼器和无阻尼器两种情况下的地震反应位移时程，见图3～6，相应的位移峰值见表2。从计算分析结果可以看出，底层柔性结构在加固前的地震反应强烈，特别是底层的位移反应较大，层间位移角达到1/128，结构底层处于塑性屈服状态。加固后的底层位移反应减小30%以上，上部各层位移和结构的加速度反应也都明显减小。

图3 底层位移时程

由此可见，采用软钢阻尼器对底层柔性结构进行加固能够起到明显的减震效果，结构底层位移、层间位移、顶层位移和各层加速度均得到明显控制，并减小了结构底层塑性破坏的程度。

图4 顶层位移时程

图5 底层加速度时程

图6 顶层加速度时程

表2 结构各层位移和加速度峰值

4 结 语

底层柔性结构是一种普遍存在的结构体系，为了防止结构在地震作用下出现底部较大的塑性变形，在进行结构设计时应选择合理的结构方案和有效的抗震措施。传统的通过增加底层刚度的方法虽然比较有效，但有时由于建筑功能的限制，增加底层刚度很难实现。

本文提出的采用软钢阻尼器进行加固，通过增加底层阻尼的方法来耗散地震能量，可以达到地震作用减小的目的。通过算例分析，这种方法的减震效果比较明显，而且软钢阻尼器的构造简单，结构加固成本较低，值得进行推广使用。

［1]郭庆子，马华.带纤维混凝土耗能器底层柔性结构的抗震研究［J］.工程抗震与加固改造，2012，34(5):20 -26.

［2]中国建筑科学研究院. GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3]章丛俊，李爱群，赵明.软钢阻尼器耗能减震结构的研究与应用综述［J］.工业建筑，2006，36(9):17 -21.

［4]欧进萍. 结构振动控制［M］. 北京:科学出版社，2003:441 -447.

［5]黄昆，邹立华.考虑耦合地震作用的底层柔性结构体系振动控制［J］.自然灾害学报，2014，22(3):142 -147.