超限高层框架结构采用粘滞消能减震支撑的抗震性能分析

任泽民，马亚南，乔金丽，侯双

（1.河北工业大学校园规划处，天津 300401；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

超限高层框架结构采用粘滞消能减震支撑的抗震性能分析

任泽民1，马亚南2，乔金丽2，侯双2

（1.河北工业大学校园规划处，天津 300401；2.河北工业大学土木工程学院，天津 300401）

针对采用粘滞消能减震支撑的超限高层框架结构抗震性能的复杂性，为了提高超限高层的抗震性能，对天津市某高校超限图书馆结构设计中结构选型、消能减震支撑的选择和布置进行反应谱和非线性时程的分析计算．分析结果表明消能减震支撑能有效地提高结构的抗震性能；粘滞阻尼器的数量不能决定消耗能量的多少，只有合理布置，才能更好地提高结构的抗震性能．

超限高层；框架结构；消能减震支撑；抗震性能

地震是一种突发性的破坏性极强的自然灾害，传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵抗地震作用的，但是这种方法在安全性上难以保证，且经济性欠佳．因此，一种既安全，又经济、适用的新型工程结构——消能减震控制体系诞生了[1-2]，并且迅速应用到世界建筑中去[3-6]．这种体系主要通过在工程结构的特定部位，装设某种装置或某种机构（消能支撑、消能器等），或者某种子机构，或施加外力（外部能量输入），以改变结构的动力特性或动力作用，使结构在地震作用下的动力反应得到合理控制，确保结构本身及结构中人和财产的安全[7]．

近20年，消能减震装置被逐渐应用到我国的各种建筑中去[8]．同时也做了大量的研究[9-11]．为了进一步研究结构选型、消能减震支撑的选择和布置对超限高层抗震性能，本文通过对天津某高校图书馆的结构模型进行有限元分析，旨在提高超限高层的抗震性能，为类似超限高层的抗震设计提供参考．

1 工程概况

本文采用某校图书馆的设计模型进行分析，该建筑地下1层，地上8层，标准层层高5.1 m，结构总高度40.5m，主楼平面外围尺寸约74m×84m，东、西立面向外侧倾角10°，建筑大部分楼层平面呈细腰的“工”字形，见图1、图2．抗震设防类别为丙类．本工程所在校区位于抗震设防7度（0.15g）分区，将地震峰值加速度提高至0.2g，并按8度采取抗震措施．

2 超限判别

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本工程存在4项一般性不规则情况：1）扭转不规则；2）凹凸不规则；3）有细腰形或角部重叠形；4）尺寸突变．顶部楼层局部设斜吊杆，最大挑出长度5 m，不符合要求的竖向构件位置缩进大于25%或外挑大于10%和4 m的要求．结构总高度40.5 m，略超8度区框架结构高度限值40m．

图1 图书馆标准层平面图Fig.1 Thelibraryplanofstandardfloor

3 消能减震设计及布置

3.1 消能减震设计

本结构采用非线性粘滞流体阻尼器，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算：

式中：a为消能减震结构的附加有效阻尼比；Wcj为第j个消能部件在结构层间位移uj；Wa为设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能，对整体结构可按下式计算：

其中：Vj为楼层地震剪力；uj为层间位移．经反应谱法试算，

确定结构阻尼比为0.12时，各项指标满足规范要求．又因本结构

可提供自身阻尼0.04，阻尼器需提供的附加阻尼为0.08．根据抗震规范阻尼器附加阻尼比的计算方法，确定阻尼器参数见表1，数量见表2（结构Y方向阻尼器数量为0、0、5、5、3、4、3、3、0），阻尼器设置楼层为2～7层．其中B型阻尼器为节点型小型阻尼器，仅为提高细腰处结构构件抗震性能设置，整体结构附加阻尼比计算中未考虑其有利作用．

图2 图书馆立面Fig.2 Thelibraryelevation

表1 粘滞流体阻尼器参数Tab.1 The parameters of Viscous fluid damper

同理，在结构Y方向布置阻尼器数量从1到9分别为：0、0、5、5、3、4、3、3、0，总计23个．

表2 结构X向粘滞流体阻尼器数量估算Tab.2 The number of Viscous fluid dam per's estimation in X

3.2 阻尼器的布置

按照阻尼器布置原则以及计算结果，分别设置不同数量的阻尼器进行对比，一种按计算的实际数量进行布置，此时结构的附加阻尼比为0. 076；另一种在2～7层均匀布置阻尼器，每层设置10个，附加阻尼比为0.08．分别设定为方案1、方案2，阻尼器布置分别见图3、图4．

4 反应谱分析结果

本工程结构构件的抗震承载力仍按目前我国设计规范方法考虑．表3为3种结构方案CQC法的计算结果．

表3 反应谱法的主要分析结果Tab.3 The main analysis results of CQC

从表3可以看出，原结构和方案1的最大层间位移角均大于规范要求的1/550，仅方案2满足规范要求．阻尼比增大后的位移减小56%，首层地震剪力减小28%．

5 时程分析及结果对比

利用Etabs进行抗震分析，用Nlink单元中的Damper模拟黏滞阻尼器，阻尼器参数见上表．在进行时程分析时，选取2条天然波（TR1、TR2）和1条人工波（RG），并按主次方向1∶0.85的比例输入．分析结果如表4～表6．

表4 原结构时程分析法计算结果Tab.4 The results of time history analysis method

图3 方案1Fig.3 Plan1

图4 方案2Fig.4 Plan2

通过对结果分析，1）原结构的层间位移角明显不满足国家抗震规范最大不能超过1/550，而添加粘滞阻尼器以后，层间位移角和首层地震剪力都明显减小，满足国家规范要求；2）方案1非线性时程分析法层间位移角平均减震率是51%，首层剪力平均减震率40%，取得了良好的减震效果；方案2非线性时程分析法层间位移角平均减震率是47%，首层剪力平均减震率38%，减震效果不及方案1，但由于方案1的反应谱法分析的层间位移角不满足规范要求，因此选用方案2．

6 结论

1）框架结构中安装粘滞阻尼器，可以有效的减小最大层间位移角和层剪力，消耗地震能量，从而提高结构的抗震性能，达到国家规范要求；

2）在框架结构中安装阻尼器的多少，和提高结构抗震性能高低没有直接关系，只有合理布置粘滞阻尼器，才能更好地消耗地震能量，提高结构抗震；

3）对于不满足国家抗震规范的大空间超限高层建筑，可以安装效能减震结构来消耗地震能量，从而满足建筑结构要求．

表5 层间位移角和减震率对比Tab.5 Comparisons of story drift and damping rate

表6 首层地震剪力和减震率对比Tab.6 Comparisons of first floor story share and dam ping rate

[1]郭晨光．安装粘弹性阻尼减振装置的高层建筑抗震研究[D]．成都：西南交通大学，2004．

[2]林宁．粘弹性阻尼器在框架结构中的优化布置[D]．成都：西南交通大学，2008

[3]XieQ．StateoftheartofbucklingrestrainedbracesinAsia[J]．JournalofConstructionSteelResearch，2005，61（6）：727-748．

[4]AikenI，KimuraI．Theuseofbuckling-restrainedbracesintheUnitedStates[C]//ProceedingsoftheJapanPassiveControlSymposium．Yokohama：Tokyo InstituteofTechnology，2001．

[5]TsaiKC，LaiJW，HwangYC，etal．Researchandapplicationofdouble-corebuckling-restrainedbracesinTaiwan[C]//Proceedingsofthe13thWorldConferenceonEarthquakeEngineering．VancouverBC．2004：2179．

[6]SabelliR，AikenI．USbuilding-codeprovisionsforbuckling-restrainedbracedframes:basisanddevelopment[C]//Proceedingsofthe13thWorldConferenceonEarthquakeEngineering．VancouverBC．2004：1828．

[7]程选生，贾传胜．消能减震技术在结构抗震加固改造中的应用[J]．土木工程学报，2012，45（增刊）：253-257．

[8]邓宗才．高性能合成纤维混凝土[M]．北京：科学出版社，2003．

[9]邓雪松，王廷彦，陈麟，等．巨型框架-耗能支撑结构的减震性能分析[J]．地震工程与工程振动，2008，28：146-150．

[10]陈敏，贺国京，刘畅，等．阻尼器在框架结构中的优化布置策略[J]．土木建筑与环境工程，2013，35（3）：20-26．

[11]周云，尹庆利，林绍明，等．带黏滞阻尼器腋撑钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究[J]，建筑结构学报，2011，32（11）：64-73．

[责任编辑 杨屹]

Seismicanalysisofirregularhigh-riseframestructure withviscousdampingbrace

RENZemin1，MAYanan2，QIAOJinli2，HOUShuang2

(1.DepartmentofProgrammingandConstruction,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China;2.SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300401,China )

Theseismicbehaviorofirregularhigh-risestructurewithviscousdampingbraceiscomplex.Inordertoimprovetheseismicperformanceofhigh-risebuilding,the seismicresponseofresponsespectrumandnonlineartime-historyanalysisonanirregularcollegelibraryinTianjinofstructureformselection,damperselectionandlayoutisstudied. Theresultshowthatviscousdampingbracecaneffectivelyimprovetheseismicperformanceofstructure;thenumberofviscousdampercannotdeterminehowmuchenergyconsumption is,andonlythroughthereasonabledecorate,canitimprovetheseismicperformanceofthestructure.

irregularbuilding;framestructure;viscousdampingbrace;seismicperformance

TU311.41

A

1007-2373(2015)06-0086-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.017

2015-05-07

河北省高等学校科学技术研究项目（QN2014119）

任泽民（1964-），男（汉族），正高级工程师．

数字出版日期：2015-12-17数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151217.1506.004.html