钢骨混凝土组合结构减震控制

田林林，刘洲，秦乃兵

(华北理工大学 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)



钢骨混凝土组合结构减震控制

田林林，刘洲，秦乃兵

(华北理工大学 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

钢骨混凝土；被动控制；消能减震；布置方案；层间位移；层间剪力；整理位移

针对建筑结构的控制主要讨论被动控制，被动控制中消能减震备受关注。对1栋18层钢骨混凝土组合建筑进行消能减震研究，在结构安装粘滞阻尼器，实现对建筑结构的被动控制。设置3种粘滞阻尼器的布置方案，使用1种有代表性的地震波作用。分析得到在不同粘滞阻尼器布置下建筑结构的层间位移、层间剪力和整理位移，并对结果进行比对，得出最佳的减震控制的布置方案。在钢骨混凝土组合结构减震控制研究中取得成效。

0 引言

随着经济的发展和城市化规划的日益完善以及土木工程技术的进一步健全，人们对建筑更高、跨度更大和结构更稳定的需求更加强烈。钢骨结构和混凝土结构的结合[1]是最完美的组合方式之一，可利用2种建筑材料的最佳特性，提高了施工进度，带来了经济效益，在国内外已经广泛的应用。由于近几年地震频繁发生，对建筑结构的减震消能控制研究已成为土木研究者的热与研究课题。建筑结构受到地震能量破坏时，为了使建设结构本身消耗能量减少，需安装可分担能量的装置。多年来经过国内外研究人员对结构控制研究[2]，已经取得很大进展。结构控制以被动控制最为常见，粘滞阻尼器是现今建筑消能减震使用最多的装置之一，具有安装简单和节约资金等优点。

在钢骨混凝土组合结构中，合理地安装阻尼器不仅可以使结构消能减震达到最优状态，而且具有节约阻尼器使用个数等优点。粘滞阻尼器只是起到减震消能作用，不能提高建筑结构本身的刚度和强度。该项目通过对实际工程开展研究，采用SAP2000大型有限元分析软件分析建筑模型得到有效数据，并得出粘滞阻尼器的合理布置方法。

1 工程实例和有限元模型建立

1.1工程概况

该项工程为河北省唐山市某酒店二期工程，层高均为4.5 m，该建筑是高度为81.5 m的18层建筑，6～18层分为南北双塔，1～5层为商业用房；6层及其以上北塔为办公用房，南塔6～11为酒店，12层为设备夹层，其余为办公用房。抗震等级为2级抗震；建筑场地为Ⅱ类；基础形式为整体式筏板基础；建筑抗震设防类别为丙类；住宅结构材料应具有规定的物理、力学性能和耐久性能，并应符合节约资源和保护环境的原则。

1.2有限元模型

该项工程是钢骨混凝土组合结构的有限元模型，在使用SAP2000大型有限元软件分析计算时，用梁柱体和墙体2种单元建模。分析程序有ETABS,梁、柱采用Frame单元，墙采取Shell单元，阻尼器附加Damper单元。此工程模型共产生了4 316个结点，5 614个单元。材料按其规范设置,自重由软件自动加载。模型构件尺寸为主梁截面有3种，分别是500 mm×900 mm、600 mm×1000 mm、700 mm×1 200 mm;次梁截面为400 mm×900 mm；柱子截面3种分别为1 000 mm×1 300 mm 、1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm ,H型HN700 mm×300 mm×13 mm×20 mm ,剪力墙1～2层厚度为300 mm，3～8层250 mm，8层以上200 mm。楼板厚度为160 mm现浇钢筋混凝土。混凝土用C40，钢筋主筋为HRB400，如图1所示。

表1所示为设计采取的布置活荷载标准值。

表1　设计采用的均匀活荷载标准值[3]

注：考虑施工期间堆载时住宅地下1层顶板活荷载不大于5 kN·m-2；

楼梯、阳台及上人屋面等的栏杆顶部水平荷载为1.0 kN·m-1。

钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁施工或检修集中荷载(人和小工具的自重)不得超过1.0 kN，其他部位的使用荷载及施工期间的堆料荷载不得超过表中各值。

图1　模型图

1.3使用地震波

根据《建筑抗震设计规范》[3](GB50011-2010)的要求，选地震波为EL CENTRO波，如图2、图3所示为EL CENTRO波各方向的时间-加速度曲线。

图2　EL CENTRO波东西向加速度时程曲线

图3　EL CENTRO波南北向加速度时程曲线

2 粘滞阻尼器布置方案

在布置方案里X和Y方向阻尼安装不同消能减震的结果也不相同。为了确保此因素不影响研究目的，在几种方案里X和Y方向布置相同的阻尼个数。方案一共布置270个阻尼,X、Y方向分别布置150个和120个。使用的阻尼参数为C=300 kN·S·mm-1、=0.20、行程为150 mm 、最大阻尼Fmax=750 kN。

阻尼器的布置方案，在平面上布置是将阻尼器布置在纯框架上。阻尼器竖向布置，由于建筑顶层是装饰或者单独的结构不布置阻尼器。考虑除顶层外其余16楼层布置，方案一竖向均匀布置，对建筑结构2～17层纯框架部位，每层均匀布置如图4所示，每层布置18个，X和Y方向各为10个和8个。方案二根据层间位移布置，在位移最大楼层布置。3～14层布置(同上)。2种布置方法粘滞阻尼器安装位置在框架、钢骨结构连接处设置。

图4　粘滞阻尼器的平面布置

3 数据分析

3.1层间位移分析

在地震波作用下层间位移的平均值如图5所示。X和Y方向上大体相同，在没有安装阻尼装置下，建筑结构的减震消能能力弱，结构变形大。方案一是每层均匀布置阻尼器，相对无控制结构来说，消能减震效果明显增强，X方向层间位移最大减少率为19.7%，Y方向层间位移最大减少率为20.1%，由于2个方向安装的阻尼个数相同，布置的位置属于同一类，所以减震效果大致相同。方案二是在出现最大层间位移层布置，X方向层间位移最大减少率为34.9%，Y方向层间位移最大减少率为27.6%，相对方案二布置更合理，起到消能减震效果更加明显。

图5　3种方案的层间位移结果

3.2层间剪力分析

在地震波作用下层间剪力结果如图6所示。建筑结构在无控制情况下，底层剪力值X和Y分别达到了35 000 kN和37 200 kN，顶层是装饰结构无层间剪力产生。方案一X方向层间力最大减少率15.8%，Y方向层间力最大减少率16.4%。方案二X方向层间力最大减少率20.7%，Y方向层间力最大减少率21.9%。2种方案都很大程度上减少了层间剪力值，但方案二效果更加明显。

图6　3种方案层间剪力结果

3.3整体位移分析

在地震波作用下整体位移沿高度变化如图7所示。建筑结构在无控制情况下，X、Y方向最大整体位移分别是142 mm、169 mm。建筑结构增加粘滞阻尼器后，方案一X方向最大整体位移为129 mm，Y方向最大整体位移为135 mm，最大减少率为20.1%；方案二X方向最大整体位移为131 mm，Y方向最大整体位移为140 mm，最大减少率为17.1%。2种方案都对建筑结构起到了消能减震的作用，但由于布置粘滞阻尼器考虑的问题不一样，减震效果有差异，方案一对整体位移减少更为明显，但方案二在位移变化最大处有明显的减缓趋势。

图7　3种方案整体位移沿高度变化结果

4 结论

(1)在变形最大处布置阻尼器能充分发挥粘滞阻尼器的作用，安装在变形小的位置，不仅达不到减震消能的效果，而且造成资源的浪费。合理布置粘滞阻尼器能充分地避免结构变形最大处的破坏，使建筑的使用和安全得到提高。

(2)在合理布置消能减震装置不仅能有效的减少结构的层间位移及层间剪力，而且还大幅度的减少了结构的整体位移。在实际工程中具体情况具体分析，通过模拟分析得到最佳的合理布置消能减震装置。

[1]李宏男,曲击婷.位移型与速度型阻尼器的优化比较研究[J].计算力学学报,2010,27(2):252-257.

[2]杨昊明.钢与混凝土组合结构技术分析[J].科技创新与应用,2015,(15):240.

[3]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4]宋志刚.基于能量原理的粘弹阻尼器优化布置[J].昆明理工大学学报,2014, 39(6):40.

[5]欧进萍,龙旭.结构被动耗能减震效果的参数影响[J].地震工程与工程振动,2002, 18(1):1998.

[6]汤立川,张玉良,张铜生.粘滞阻尼减震结构的非线性动力分析[J].工程力学,2004, 21(1):67-71.

[7]彭俊生,罗永坤, 彭地.结构动力学抗震计算与SAP2000应用[J].成都:西南交通大学出版社,2007.

[8]莫玉.粘滞阻尼器在钢筋混凝土框架结构中减震作用分析及优化设计[D].成都:西南石油大学,2015.

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Vibration Control of Steel-reinforced Concrete Composite Structure

TIAN Lin-lin, LIU Zhou, QING Nai-bing

(Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province,North China University of Science and Techonlogy,Tangshan Hebei 063009,China)

steel-reinforced; passive control; energy dissipation; layout scheme; story displacement; inter-laminar shear; overall displacement

Aiming at the building control, the passive control, was discussed energy dissipation has attracted much attention. The energy dissipation of a building with 18-storey steel-reinforced concrete steel composite structures was researched, viscous dampers were installed to of realize the passive control of the building structure. Three kinds of layout scheme viscous dampers were set up, a typical seismic wave was used in the research were compared. Interlayer displacement and inter laminar shear of the structure in different layout of viscous dampers, and the results, optimal layout scheme of damping control was obtained. The study of seismic control of the steel-reinforced concrete composite structure is effective.

2095-2716(2016)03-0108-06

TU352.11

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