隔震层中加入阻尼器后地震响应变化研究

钟锦坤 陈开树 韦 可 毛祥华

(厦门树鑫建设集团有限公司，福建 厦门 361000)

隔震层中加入阻尼器后地震响应变化研究

钟锦坤 陈开树 韦 可 毛祥华

(厦门树鑫建设集团有限公司，福建 厦门 361000)

利用SAP2000有限元软件，建立了某框架隔震建筑物的有限元模型，对比分析了在隔震层中加入与未加入阻尼器的地震响应情况，研究结果表明，在建筑物的隔震层中加入阻尼器能大幅减小隔震层的位移，同时建筑物的内力加速度都有相应增大的现象。

框架结构，隔震，阻尼器，摩擦摆支座，基底剪力

0 引言

隔震技术虽然能有效提高建筑物的抗震性能，但是隔震建筑物在隔震层中产生很大的刚体位移，使得隔震建筑物的使用性受到很大的限制，为解决这个问题可以在隔震层中加入阻尼器以减小地震作用下隔震层产生过大位移的问题，也可以使隔震建筑物满足规范规定的范围，使隔震建筑物更具有适用性。阻尼器虽然可以有效减小隔震层的位移，但是对在隔震建筑物的隔震层中加入阻尼器后隔震建筑物的地震响应变化是怎样的，建筑物的内力变化，加速度变化这些都还未有过研究。摩擦摆最早是由Zayas提出的一种隔震系统[1]，通过两个曲面的摩擦滑动来实现支座的正常功能，利用钟摆机理延长结构的自振周期。摩擦摆支座是一种性能更加优良的隔震装置[2]，具有承载能力高、位移能力大、耐久性强、可自动复位等优点，并可以通过改变滑道半径调整隔震周期。阻尼器虽然只有十几年的历史，却发展非常迅速，超出了我们的想象[3]。最初的几年，犹如百花齐放，很多种阻尼器都得到了试验和发展。如果加上这几年在我国高校里的发展，至少也有十几种之多，如摩擦阻尼器、各种金属阻尼器、支座阻尼器等[4]。本文将以一个实际框架隔震建筑物为工程背景，对在隔震层中加入阻尼器和未加阻尼器后地震响应变化进行研究。

1 计算模型及分析方法

某框架建筑结构的安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，乙类建筑，基本风压为0.55 kN/m2。某框架结构首层高5.5 m，其余层层高均为4.5 m，总高为14.5 m的3层建筑物，其中纵向六跨，跨度均为7.5 m，横向三跨，跨度均为6 m，楼盖为无梁楼板，1层柱截面均为700 mm×700 mm，2层、3层柱截面均650 mm×600 mm。

本文采用有限元程序SAP2000建立有限元模型进行空间地震反应分析，模型中梁柱均采用空间梁单元模拟。本文选取了与该框架结构的设计反应谱相容的EI Centro波和阪神波，并根据规范要求拟合了与设计反应谱相近的人工波。

动力特性分析：摩擦摆支座的曲面半径取1.5 m，摩擦系数取0.03，根据相应的计算可以得出阻尼比、第一刚度值、第二刚度值等，在隔震层中还按照图1所示的位置布置了阻尼器，最后得出该隔震建筑物的自振周期及振型。

该建筑物的前十阶自振周期如表1所示。

由表1可知，建筑物的第一自振周期为0.662 5 s，随着阶数的增加，建筑物的自振周期越来越接近。建筑物的第一振型图为横向平动，第二振型图为纵向平动，第三振型图为扭转。总的来说建筑物是以横向平动为主。

表1 自振周期 s

2 地震作用下加速度时程

摩擦摆隔震支座竖向设计承载力为3 000 kN；摩擦摆隔震支座摩擦系数：3%，6%，9%；设计地震动峰值加速度下的支座设计极限位移为±100 mm；摩擦摆隔震支座的曲面半径：1 m，1.5 m，2 m。本工程中采用的是粘滞阻尼器，工程中阻尼器的类型为ZNQ1，最大阻尼力为800 kN，最大行程为70 mm。

选取一条地震波(EL Centro波)按照8度罕遇地震强度设计地震强度，加速度峰值为0.20g。抗震设防标准调整加速度峰值为2 m/s2，摩擦摆支座的摩擦系数选为3%，支座曲面半径1.5 m，阻尼器的类型为ZNQ1，最大阻尼力为800 kN，最大行程70 mm。分别对在隔震层中加入阻尼器和未加阻尼器的隔震层和非隔震建筑物的加速时程做一个对比分析。相应的时程分析结果见图2，图3。

从图2和图3可知，在隔震层中加入阻尼器后，建筑物的加速度增大了很多，在中震时由原来的1.2 m/s2变成3 m/s2，大震时由未加阻尼器时的2 m/s2变成5.8 m/s2。在隔震层中加入阻尼器后大大增大了建筑物的加速度，无论是中震还是大震，加入阻尼器后都大大增大了建筑物的加速度。对于非隔震建筑物的加速度与在隔震层加入阻尼器的加速度相近。

3 地震作用下基底剪力峰值

将三条地震波(EL Centro、阪神波、拟合人工波)按照8度罕遇地震强度设计地震强度，加速度峰值为0.20g。抗震设防标准调整加速度峰值为2 m/s2，摩擦摆支座的摩擦系数选为3%，支座曲面半径为1.5 m，阻尼器的类型为ZNQ1，最大阻尼力为800 kN，最大行程为70 mm。分别对在隔震层中加入阻尼器和未加阻尼器的隔震层和非隔震建筑物的基底剪力峰值做一个对比分析。相应的时程分析结果如表2～表4所示。

表2 EL Centro波作用下基底剪力峰值 kN

表4 人工波作用下基底剪力峰值 kN

由表2～表4可知，隔震层中加入阻尼器后建筑物基底剪力变大，中震时的变化幅值比大震时变化幅值大得多，中震时的变化幅值大概在20%，大震时的变化幅值大概在8%。三条地震波相比，隔震层加入阻尼器后建筑物基底增大的幅值最大的是阪神波，其次是EL Centro波，最小的是人工波。

4 结论

1)在隔震层中使用阻尼器后对建筑物加速度的影响很大，在隔震层中加入阻尼器后建筑物的加速度增大很多。

2)在隔震建筑物中的隔震层中加入阻尼器后，总体来说建筑物的基底剪力都是增大的。

3)不同地震强度作用下，建筑物基底剪力增大的幅值不同，中震时加入阻尼器后增大的幅值比大震增大的幅值大。

4)不同地震波作用下，建筑物基底剪力增大的幅值不同，总体来说，EL Centro波增大的幅值居中，最大的是阪神波，最小的是人工波。

[1] [新西兰]R.I.Skinner，W.H.Robinson，G.H.McVerry.工程隔震概论[M].谢礼立，周雍年，赵兴权，译.北京：地震出版社，1996.

[2] 庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京:中国铁道出版社，2012.

[3] 马 良,陈永祁.银泰中心主塔楼采用粘滞阻尼器的消能减振设计[A].第五届全国结构减震控制学术研讨会论文集[C].2005.

[4] 李晓楠, 赵 均,陈永祁.高层建筑粘滞阻尼器安装的一种新形式[A].第十届高层建筑抗震技术交流会论文集[C].2005.

Abstract: This paper in the finite element software SAP2000 to establish finite element model of the building, and to join in the isolation layer and without seismic response of the damper made a comparative study of the system. The research results show that in the structure of the isolation layer after adding damper can significantly reduce the displacement of isolation layer, and the structure of the internal force of the acceleration has increases accordingly.

Key words: frame structure， isolation， damper， friction pendulum bearings， base shear

Study on earthquake response after adding damper change

Zhong Jinkun Chen Kaishu Wei Ke Mao Xianghua

(XiamenShuxinConstructionGroupCo.,Ltd,Xiamen361000,China)

2016-03-19

钟锦坤(1974- )，男，工程师

1009-6825(2016)15-0049-02

TU352.1

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