速度型阻尼器和防屈曲支撑在装配式框架结构纵向体系中减震效果研究①

严 俊，庞金来，施卫星

(同济大学，上海200092)

0 引 言

传统装配式框架结构，即采用横向设置整榀预制主框架、而纵向采用联系梁连接的结构体系，直到上世纪九十年代初期还在我国得到广泛应用.由于装配式框架的梁、柱、楼板预制，框架节点应力集中显著，侧向刚度小，在强烈地震作用下，结构产生水平位移较大，因此设计时如何提高框架的抗侧刚度及控制好结构侧移为重要因素.将速度型阻尼器和防屈曲支撑等概念应用到此类建筑是一种可能的选择.

近年来，翁大根等采用层间增设粘滞阻尼器对某未抗震设防的八层钢筋混凝土框架结构采用效消能减震支撑支撑进行加固，提出由于结构体系层间位移角最大值可以增大结构抗震安全性.杨溥等采用层间增设粘滞阻尼器对某未抗震设防的八层钢筋混凝土框架结构采用效消能减震支撑支撑进行加固，提出由于结构体系层间位移角最大值可以增大结构抗震安全性.赵瑛等提出防屈曲支撑由于其拉压等强的特性，对梁跨中并不产生不平衡力，从而较少影响结构弯矩和剪力变化.刘金等对单榀框架采用不同楼层设置粘滞阻尼器方式进行地震波作用下时程分析，提出每层均布置阻尼器的情况下各层柱端弯矩较原结构有较大降低的观点.

本文对比了在装配式框架结构的纵向体系中增设阻尼器和防屈曲支撑，采用时程分析方法，比较结构侧移、梁端弯矩及弹塑性发展情况等，进而提出该类结构体系在阻尼器和防屈曲支撑作用下的具有一定减震效果.

1 速度型阻尼器和钢支撑的基本特性

1.1 速度型阻尼器

速度型阻尼器是利用与速度相关的粘滞性所产生的抵抗作用来获得衰减力.设计时，根据目标减振建筑物的允许位移、周期、反应加速度等，确定阻尼器的抵抗力和粘性衰减常数，并考虑阻尼器的配置和界限位移等条件，确定尺寸和数量.

在建筑结构的减振控制中，当粘滞流体阻尼器通过支撑连接安装到建筑结构上时，可以将支撑等效处理为一根弹簧，则计算模型简化为一根弹簧与一个粘滞阻尼元件的串联.如图1 所示:

粘滞阻尼器通过建筑结构传递的外力迫使流体通过阻尼筒中活塞上的小孔来产生阻尼.阻尼器的输出力一般包括阻尼力和弹簧力，粘滞阻尼器可以输出纯阻尼力，其理想输出力为用下式表示:

c0为粘滞阻尼器的阻尼系数;α 为粘滞阻尼器的速度非线性指数;V 为阻尼器两端的相对速度.

当α=1 时，输出力与速度成线性关系，此时称为线性粘滞阻尼器;当α ≠1 时，输出力与速度成指数关系，此时称为非线性粘滞阻尼器.图2 所示即为输出力F 与相对速度V 的关系曲线图.

图1 粘滞阻尼器计算模型简化图

图2 粘滞阻尼器的输出力F 与相对速度V 的关系曲线图

图3 防屈曲支撑构造

1.2 防屈曲支撑

防屈曲支撑是一种由外围约束套管、内核钢芯以及两者之间的无粘结隔离材料组成的新型的支撑形式，其结构如图3 所示.钢芯与主体结构相连构成了其主要的受力构件，为建筑结构提供抗侧刚度.外围约束套管为钢芯提供侧向约束，防止支撑受压屈曲变形.当在拉压荷载的作用下防屈曲支撑发生屈服后通过滞回变形消耗地震能量.

图4 防屈曲支撑与传统支撑的屈服滞回曲线

图5 三种结构体系的纵向框架

在弹性变形范围内，防屈曲支撑与传统支撑一样.工作机理相类似.在地震反复荷载较大时，传统支撑会发生失稳，但防屈曲支撑由于受到外围约束套管的约束不会发生失稳，而是发生屈服进入塑性变形阶段.由于其拉压强度接近，在拉压反复荷载作用下滞回曲线对称、饱满，比传统支撑具有更好的的抗震性能，如图4 所示.

2 算例分析

2.1 概 述

某六层装配式钢筋混凝土框架结构小学教学楼，底层层高4.2m，其余各层3.3m.取纵向框架进行分析，恒荷载30KN/m，活荷载12KN/m.设防烈度为7 度(0.1g)，场地类型为Ⅳ.

分别采用纯框架结构、防屈曲支撑结构、阻尼器结构进行设计，梁柱结构构件混凝土强度等级均为C30，使用SAP2000 进行设计分析.

我国抗震设防目标为:小震不坏、中震可修、大震不倒.具体做法上，在小震作用下需验算结构弹性变形，根据规范，弹性层间位移限制取1/550;在大震作用下验算结构的弹塑性变形，根据规范，弹性层间位移限制取1/50.

图6 MEX7X 波

图7 MEX7X 波小震作用下各结构体系顶点位移

2.2 阻尼器和防屈曲支撑的设计

在SAP2000 建模中，三种结构模型均采用平面框架建模;材料的弹性模量、密度、屈服强度等参数均根据实际情况取值;在两端设置M3 型塑.阻尼器设计如下:质量0.1751kN，重量0，线弹簧比例0.3048，面、实体弹簧比例0.0929，方向U1(非线性)，刚度175126.9kN/m，阻尼系数837.3188，阻尼指数0.5;屈曲支撑设计如下:材料Q345，外直径273mm，壁厚度6mm.

图8 MEX7X 波小震作用下各楼层层间位移角

图9 MEX7X 波大震作用下各结构体系顶点位移

2.3 地震作用下的结构反应

众所周知，防屈曲支撑能为建筑结构提供较好的抗侧刚度，克服在地震作用下传统支撑的突发性失稳，从而导致结构破坏，抗震性能较差.而对于该算例这类结构刚度小的装配式框架结构，有必要对纯框架、防屈曲支撑框架、阻尼器框架结构在大震、小震作用下进行比较分析.

2.3.1 地震波的选取

本算例选用墨西哥MEX7X 波作为输入波，时程分析下，水平地震加速度峰值在小震、大震作用下7 度区分别为35gal、220gal.

2.3.2 阻尼器和钢支撑在小震作用下的时程分析

由时程分析结果可知，在小震作用下，纯框架结构的顶点位移大于结构弹性限值，而阻尼器结构和防屈曲支撑结构的顶点位移小于结构弹性限值，且较纯框架结构有较为明显的减小.分别减小了25.2%及56.9%，图6 为三种结构的顶点时程位移对比.

表2 小震作用下各体系的顶点位移

图10 MEX7X 波大震作用下各楼层层间位移

本算例在每层均选取了一根弯矩较大的梁进行三种结构的比较分析，所选取的梁编号如图5 所示.比较得知，在小震下，阻尼器对装配式结构框架纵向体系有良好的减震效果，减震效果在50%—80%;钢支撑结构则减震效果不明显，部分杆件地震效应甚至较纯框架有所增大.

表3 小震作用下各体系的梁端弯矩(kN·m)

2.3.3 阻尼器和钢支撑在大震作用下的时程分析

由时程分析结果可知，在大震作用下，三种结构的顶点位移小均于结构倒塌限值，防屈曲支撑框架和阻尼器框架较纯框架结构有较为明显的减小，分别减小了25.1%及59.0%.

比较得知，在大震下，阻尼器对装配式结构框架纵向体系有良好的减震效果，减震效果在54%—68%;防屈曲支撑结构则减震效果不明显，部分杆件地震效应甚至较纯框架有所增大.

表4 大震作用下各体系的顶点位移

通过sap 的时程积分计算可知，小震作用下三种结构体系均处于弹性状态.大震作用下，纯框架体系的各个梁端均出现塑性铰，结构进入塑形状态;而在有阻尼器结构体系中，原有结构仍处于弹性工作状态.选取边跨上两根弯矩较大的构件进行对比分析，如图10 所示，可知阻尼器的减震效果显著，构件109－1、110－1 梁端弯矩分别减少54.0%和56.7%.

图11 纯框架结构在大震下出现塑性铰

图12 阻尼器在大震下的减震效果

总的来说，六层的钢筋混凝土装配式框架结构房屋，其梁柱截面较小，抗侧刚度较小，输入特定峰值的地震波后，就防屈曲支撑框架和阻尼器框架对减震效果的计算比较，可知防屈曲支撑体系和阻尼器体系可减小各层的位移反应，又可减小各层反应值的差异，避免薄弱层的发生;以及不同体系在相同强度的地震波作用下，减震效果不同，阻尼器的效能性能较好;尤其在大震作用下，有阻尼器的体系中，原有结构处于弹性工作状态，是今后装配式框架结构抗震的不错选择，值得推广.

表5 大震作用下各体系的梁端弯矩(kN·m)

107－1 158.67 195.22 58.87 0 62.9 108－1 102.02 153.58 32.02 0 68.61

3 结 语

本文研究了纵向抗侧刚度较弱的装配式框架结构在纯框架、防屈曲支撑、阻尼器结构体系下的抗震性能.首先分析了速度型阻尼器和钢支撑的基本特性，为之后的阻尼器设计、防屈曲支撑设计及结构体系的地震反应分析提供了依据.最后通过算例说明了阻尼器具有良好的减震效果.

［1］ 翁大根，陈廷君，吕西林，等.某钢筋混凝土框架增设阻尼器抗震加固分析研究［J］.工程抗震与加固改造，2007，29(3):65－71.

［2］ 杨溥，姬淑艳，肖志，等.粘滞阻尼器加固的某RC 框架结构抗震性能分析及优化设计［J］.重庆大学学报(自然科学版)，2007，30(8).

［3］ 刘金，赵林，刘庆梅，等.屈曲约束支撑布置方式对多层框架抗震性能影响［J］.建筑结构，2011，41(增刊):158－161，40(S1):158－161.

［4］ 赵瑛，郭彦林.防屈曲支撑框架设计方法研究［J］.建筑结构，2010，40(1):38－85.

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