使用阻尼器加固后建筑物地震响应研究

张长富 凌晓娟 刘 艳 毛祥华

(厦门树鑫建设集团有限公司，福建 厦门 361000)



使用阻尼器加固后建筑物地震响应研究

张长富 凌晓娟 刘 艳 毛祥华

(厦门树鑫建设集团有限公司，福建 厦门 361000)

以某实际加固工程为工程背景，利用SAP2000有限元软件，分析了建筑物加固前和加固后地震响应情况，通过对比楼层平均位移、层间剪切变形、建筑物基底剪力弯矩后，得出了阻尼器对建筑物的影响规律，研究表明，使用阻尼器加固后，在地震作用下建筑物能大幅减少楼层位移以及层间剪切变形，同时也能大幅减少建筑物的内力。

框架结构，地震响应，阻尼器，建筑物加固

0 引言

如何提高房屋及其他建筑物的抗震性能以及如何减少地震反应具有非常重要的意义，目前提高房屋抗震性能最有效的方法是在建筑物中采用隔震技术，减少建筑物在地震中的反应响应最有效的方法是在建筑物中加阻尼器。从20世纪50年代开始在机械、车辆、航天和军事工业系统中得到应用的液体粘滞阻尼器，80年 代末开始在美国的建筑结构和桥梁工程界试验、研究及应用。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[1]。最初的几年，有如百花齐放，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[2]。无论从理论和试验研究上看,这些阻尼器都有很多创新之处[3-5]。在建筑物中加入阻尼器能有效抵抗风荷载，在风荷载作用下能使建筑物满足正常使用的要求。本文将以一个实际加固工程为工程背景，在加固之前建筑物的地震反应过大，不能满足建筑物的安全性和使用性，对于如何提高建筑物的安全性和适用性，减少建筑物的地震反应将进行研究。本文将考虑在建筑物中加入阻尼器以对建筑物进行加固，对于加固前和加固后建筑物在地震作用下的地震响应进行对比，以研究阻尼器对建筑物的影响规律。

1 计算模型及分析方法

某框架结构为纵向10跨，跨度均为7.5 m，横向4跨，跨度均为5.9 m，首层层高5.9 m，其余层层高均为4.5 m，总高为23.9 m的5层建筑物，楼盖为无梁楼板，1层～3层柱截面均为700 mm×800 mm，4层，5层柱截面均为700 mm×700 mm。该建筑物建筑结构的安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，乙类建筑，基本风压为0.55 kN/m2。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。计算模型见图1，模型中采用粘滞液体或胶质阻尼器(简称液压阻尼器)加固。

1.1 地震波选取

结构的地震响应，同时取决于结构本身的动力特性以及输入地震波的特性，因此选择合理的地震波是进行动力时程分析的基础。根据我国相关规范，《建筑抗震设计规范》规定应分别选择两条与设计反应谱相容的地震波，并通过设计反应谱拟合一条人工波，对隔震建筑物进行非线性时程分析。本文选取了以该框架结构的设计反应谱相容的EL Centro波和阪神波，并根据规范要求拟合了以设计反应谱相近的人工波。

1.2 动力特性分析

了解建筑物的自振特性是对建筑物进行动力分析的重要前提，对该框架建筑物进行模态分析，对建好的SAP2000有限元模型进行动力特性分析。该加固后的建筑物的前十阶自振周期如表1所示，该建筑物的前三阶振型图分别如图2所示。

从表1中可以得知，该框架建筑物的第一自振周期为0.982 4 s，随着其阶数的增加，建筑物的自振周期越来越接近。如图2所示，框架建筑物的第一振型图为横向平动，第二振型图为扭转，第三振型图为纵向平动。总的来说框架建筑物是以横向平动为主。

2 建筑物加固前和加固后的地震响应研究

本文中建立该建筑物的两个有限元分析模型，分别为加固前的有限元分析模型和加固后的有限元分析模型。加固前的分析模型即是在建筑物中未加阻尼器的分析模型。

2.1 楼层位移与层间剪切变形

将3条地震波(EL Centro波、阪神波、拟合人工波)按照8度设计地震强度与罕遇地震强度设计地震强度，加速度峰值分别为0.20g和0.40g。抗震设防标准调整加速度峰值分别为2 m/s2和4 m/s2。分别对加固前和加固后房屋框架结构进行动力时程分析。相应的时程分析结果如表2～表4所示，为加固前后在EL Centro波、阪神波、人工波作用下的地震响应结果比较。

表1 自振周期 s

表2 EL Centro波时加固前后对比 mm

表3 阪神波时加固前后对比 mm

表4 人工波时加固前后对比 mm

由表2～表4可知，该建筑物在EL Centro波、阪神波、人工波作用下，经阻尼器加固后的框架建筑物不论是中震还是大震，其楼层的平均位移以及平均层间变形量均有减小，大震时楼层平均位移以及平均层间的减少量比中震时的减少量大得多。层间位移变形从底层往上变形量逐渐变小。其中阪神波作用下建筑物楼层的位移最大，其次是EL Centro波，最小的是人工波。加固后楼层平均位移以及层间平均变形的减少量同样是阪神波最大，其次是EL Centro波，最小的是人工波。说明采用阻尼器进行加固后，能大幅减少建筑物在地震中的位移，从而能大幅减少建筑物在地震作用下的响应。

2.2 基底剪力地震响应

将3条地震波(EL Centro波、阪神波、拟合人工波)按照8度设计地震强度与罕遇地震强度设计地震强度，加速度峰值分别为0.20g和0.40g。抗震设防标准调整加速度峰值分别为2 m/s2和4 m/s2。分别对加固前和加固后房屋框架结构进行动力时程分析。相应的时程分析结果如表5所示，为加固前后在EL Centro波、阪神波、人工波作用下的地震响应结果比较。

表5 基底剪力以及弯矩加固前后对比

由表5可知，该建筑物在EL Centro波、阪神波、人工波作用下，经阻尼器加固后的框架建筑物不论是中震还是大震其楼层的基底剪力和弯矩均有大幅度减小，大震时楼层基底剪力及基底弯矩的减少量比中震时的减少量大得多。其中EL Centro波作用下建筑物楼层基底剪力和基底弯矩的减少量是最大的，其次是人工波，最小的是阪神波。说明采用阻尼器进行加固后，能大幅减少建筑物的内力，从而能大幅减少建筑物在地震作用下的响应。

3 结语

1)使用阻尼器对建筑物进行加固后能大幅减少地震对建筑的作用。2)在建筑物中使用阻尼器加固后，在大震时能大幅减少建筑物层间变形和楼层位移。3)地震强度越大，使用阻尼器加固后建筑物地震响应的减少幅度越大。4)在建筑物中使用阻尼器加固后，在地震作用下能大幅减少建筑物基底剪力和弯矩的值。

[1] 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.

[2] 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.

[3] Saiful Islam,Johnny Kwok,Hui Wu.Seismic Retrofit of a Suspend Floor High-Rise Building Using an Energy Dissipation System.ATC-17-2 case studies.

[4] Ani N Sigaher, Constantinou M C.Scissor-Jack-Damper Energy Dissipation[J].Earthquake Spectra,Volume,2010,19(1):133-158.

[5] PekconG Mander J B, Chen S S.The Seismic Response of a 1∶ 3 Scale Model R.C.Structure with Elastomeric Spring Dampers[J].Earthquake Spectra,1995,11(2):249-267.

Study on architectural seismic response after reinforced with damper

Zhang Changfu Ling Xiaojuan Liu Yan Mao Xianghua

(XiamenShuxinConstructionGroupCo.,Ltd,Xiamen361000,China)

Taking a practical reinforcement project as engineering background. By finite element software SAP2000, analyzes building reinforcement before and after the earthquake response situation, after a mean displacement floor, interlaminar shear deformation, after building the base shear moment contrast can come damper on the influence of the building. Studies have shown that the use of the damper reinforcement after the earthquake the building can significantly reduce the displacement between floors and interlaminar shear deformation, but also can significantly reduce the internal forces building.

frame structure, earthquake response, damper, building reinforcement

1009-6825(2016)16-0040-02

2016-03-29

张长富(1973- )，男，工程师

TU352

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