非对称双塔连体结构的消能减震分析

林立军

(福建省抗震防灾技术中心　福建福州　350001)



非对称双塔连体结构的消能减震分析

林立军

(福建省抗震防灾技术中心福建福州350001)

以某实际工程为背景，进行非对称双塔连体结构的消能减震分析，并通过数值模拟计算就阻尼器参数进行优化分析。分析结果表明，在非对称双塔连体结构中设置粘滞阻尼器，可以有效降低结构响应；在阻尼器速度指数确定时，增加阻尼系数对阻尼器耗能及降低非对称双塔连体结构响应均有较大帮助。

非对称双塔连体结构，粘滞阻尼器，阻尼系数

0　引言

大底盘多塔结构为目前城市综合体建筑广泛采用的建筑形式，连廊连体结构是其中发展起来的一种结构形式[1,2]，多在双塔结构中采用，工程中的双塔结构存在对称及非对称布置的形式。对于大底盘非对称双塔结构，由于其不同塔体的结构布置的差异，在地震作用下的平扭耦联振动效应较单塔结构或对称双塔结构显著许多，而连廊连体结构由于连接体的存在，其实质是给两个塔体之间提供了一定的连接刚度，将导致两塔之间的耦联振动效应愈发复杂。为了改善该类结构的动力特性，可在连接体与塔体间的连接方式上进行优化设计，改变塔体间的连接刚度及阻尼，从而提高其抗震性能[3]。

本文以某实际工程为背景，在非对称双塔间连廊与塔体间设置粘滞阻尼器，由于粘滞阻尼器的设置，将导致结构行为的非线性特质更加明显，其分析方法较传统基于线性理论的结构分析过程有着显著差异。本文基于粘滞阻尼器的消能减震原理，对该非对称双塔连廊结构进行消能减震分析，并对该工程阻尼器的参数优化设置进行分析。

1　粘滞阻尼器消能减震基本原理及计算方法

1.1消能减震原理

粘滞阻尼器减震基本原理是通过阻尼器的粘滞特性吸收能量导致结构系统阻尼增加。该类型阻尼器一般由缸体、活塞、阻尼孔、粘性介质和导杆等组成，当活塞在缸体内往复运动时，活塞前后的压力差使粘滞材料从阻尼孔中通过，从而产生阻尼力，达到耗能的目的，通过结构的振动使活塞与缸体间发生相对运动，并利用粘滞阻尼器消耗结构振动的部分能量，达到降低结构振动(地震或风振)反应的目的。图1是设置粘滞阻尼器后的减震结构反应谱示意图。其中的效应①是由于阻尼器对结构系统提供的额外刚度导致的结构响应变化；效应②则是系统阻尼增加引起的结构响应变化。在效应①、②的共同作用下，系统的位移、速度、加速度响应均比原结构小[4]。

1.2粘滞阻尼器计算模型

对于粘滞阻尼器的力学模型，目前已提出的数学模型有Kelvin模型、Maxwell模型、Wierchert模型、小数导数模型等，其中目前在工程领域使用最为广泛的是Maxwell模型，其力学模型如图2所示，设阻尼单元位移为u，则粘滞阻尼器出力表达式为[5]：

(1)

(2)

其中，α为速度指数，cα为粘滞阻尼系数。粘滞阻尼器出力与其速度的关系曲线如图3，当α≠1时，式即表征了粘滞阻尼器的非线性特性，由图3可以看出，α越小，阻尼器的耗能越大，因此，目前常用的粘滞阻尼器均为非线性粘滞阻尼器。

图2粘滞阻尼器的Kelvin模型

对于设置了阻尼器的减震结构而言，其动力方程与非减震结构相比，多出了阻尼器出力项，其动力方程可表示为：

(3)

将式(2)代入式(3)，即可对该非线性体系采用时程分析法进行求解。

2　工程实例

2.1工程概况

本工程的连体结构的双塔分别为100m、高23层的钢筋混凝土框支剪力墙结构的A塔及140m、高30层的钢混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构的B塔，在21～22层设置连廊相连，连体结构整体模型轴测示意图如图4所示。其中连廊采用钢桁架结构形式，桁架高度10m，结构模型如图5所示。桁架与A塔连接方案顺桁架方向采用滑动连接，垂直桁架方向为铰接，支座采用可转动可滑动式支座。桁架与B塔连接方案顺桁架方向采用滑动连接+纵向粘滞阻尼器(两个)，垂直桁架方向为铰接，支座采用可转动可滑动式。具体支座及阻尼器布置详见图6连廊的平立面示意图。该建筑地处抗震设防7度(0.10g)地区，地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，基本风压为0.70kN/m2。

2.2地震波的选取

根据抗震设防标准、场地条件、建造物基本周期及近、远震等因素，使用工程抗震设计软件EQSS，选取适宜本场地的天然地震波各2条，见表1。选波条件如下：

(1)加速度峰值：据土层地震动反应分析计算的结果，分别取不同概率水准的土层地表水平加速度峰值。

(2)场地类别为II类。

(3)建筑物基本周期：3.59秒。

(4)根据各潜在震源区对场地地震动贡献的大小，场地主要考虑近震影响。

在天然波确定后，根据50年超越概率分别为63%和2%的两种水准进行调幅，得到每一条天然波不同峰值水平的波形各2条，详细天然波选取及波形文件详见表1，波形图见图7。

表1　地表面(Ⅱ类场地)天然地震波目录

注：R—震中距(km)，Amax—最大加速度(cm/s2)。

此外，为满足工程场地抗震设计中采用时程法进行验算的需要，根据《工程场地地震安全性评价》GB 17741-2005的要求，另外人工合成工程场地抗震所需的设计地震动时程，对于2种超越概率(50年63%、2%)各合成2条时程作为人工波进行验算分析。

2.3阻尼器参数优化分析

输入上述天然波和人工地震波进行结构时程分析，因主要考虑连廊与塔楼连接的阻尼器耗能能力及其对塔楼的影响，分析时两塔楼和连廊均不考虑进入塑性，只考虑边界非线性问题，计算结果均取包络值。

由于速度指数越小(如图3所示)，阻尼器耗能能力越强，目前工程中常用的均为0.2至1.0之间，本工程所用阻尼器速度指数取为0.2。因此，本工程的阻尼参数优化主要针对阻尼系数，本文分别选取阻尼系数为800kN·s/m、1 000kN·s/m、1 200kN·s/m、1 500kN·s/m、1 800kN·s/m、2 000kN·s/m进行模拟分析，从中选取合理的阻尼系数。

2.3.1阻尼器耗能分析

图8为结构按照式(3)计算所得不同阻尼系数下阻尼器的滞回耗能曲线。由图可知，不同阻尼系数下的阻尼器的滞回环均很饱满，均能很好的耗能，因此，通过阻尼器的耗能，可减小连廊的晃动且可以较快减轻连廊的晃动程度。不同的是阻尼系数较大的阻尼器可以在较短的行程内进行同能量的耗散。

2.3.2阻尼器行程分析

根据本工程超限分析报告，由模型的计算结果得，连体与A塔沿连廊轴向(X向)在100年一遇风荷载下最大相对变形不超过60mm，在罕遇地震下最大相对变形预估不超过500mm。考虑A塔和B塔沿Y向不同步变形，在罕遇地震下最大相对变形预估不超过400mm。把连廊作为刚体考虑，当连廊产生1.5°转角时，沿Y向两塔楼变形差约为550mm，同塔楼两支座沿Y向相对变形差约为49mm。因此，考虑以上因素选择阻尼器最大行程限值为±250mm。

(a)阻尼系数800kN.s/m

(b)阻尼系数1000kN.s/m

图9为计算所得大震下不同阻尼系数下阻尼器的最大行程。由图可知，阻尼系数为800kN.s/m时，阻尼器的最大行程比较接近最大行程限值。为了安全起见，可选择阻尼系数较大的阻尼器。

2.3.3连廊响应分析

图10为大震时不同阻尼系数下与连廊支座相连节点相对地面的位移时程曲线。由图可知，设置阻尼器能够一定程度上减小连廊的晃动程度，且可以较快地减小连廊的晃动程度且阻尼系数越大，位移响应的衰减程度越大。表2为大震时阻尼器在不同阻尼系数下，连廊楼层及其相连楼层的剪力。由表2可知，增设阻尼器，对塔楼相连楼层的剪力基本没有影响或影响非常小。

表2　不同阻尼系数下连廊楼层剪力及其相连楼层剪力

3　结论

根据以上分析，可知在非对称双塔连体结构中设置粘滞阻尼器，可以在有效降低结构响应的同时，在设置阻尼处并不增大结构受力；同时，本工程的算例表明，在阻尼器速度指数确定时，增加阻尼系数对阻尼器耗能及降低非对称双塔连体结构响应均有较大帮助。

[1]吴耀辉,娄宇,李爱群,等.大底盘多塔楼结构抗震分析研究进展[J].建筑结构,2013,33(9): 16-19.

[2]娄宇,王红庆,陈义明.大底盘上双塔和连体高层建筑的振动分析[J].建筑结构,1999,(4): 9-12.

[3]黎誉,施卫星.组合减震装置在连体结构高空连廊中的应用[J].佳木斯大学学报,2014,32(6): 826-830.

[4]社团法人日本隔震结构协会.被动减震结构设计·施工手册[M].蒋通，译.北京: 建筑工业出版社,2008.

[5]彭伟.线性和非线性粘滞阻尼器在桥梁减震中的应用研究[D].上海: 同济大学,2011.

Energy Dissipation Analysis of Asymmetric Connected Double-Tower Structure

LIN Lijun

(Fujian Province Anti-Seism Center,Fuzhou 350001)

The energy dissipation and vibration reduction analysis is carried out using a real project as the background.The optimization of damper parameter is implemented according to numerical simulation.It is demonstrated that setting viscous damper in asymmetric connected double-tower will effectively reduce the structural responses.When the velocity index of damper is determined,increasing damping factor will be helpful to the energy dissipation of damper as well as reducing the responses of the asymmetric double-tower structure.

Asymmetric connected double-tower structure; Viscous damper; Damp factor

林立军(1970.06-)，男，高级工程师。

E-mail:519897863@qq.com

2016-03-23

TU3

A

1004-6135(2016)04-0054-05