高层建筑结构消能减震新体系分析研究

方 鹏 唐格林

(1.广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007； 2.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)



高层建筑结构消能减震新体系分析研究

方 鹏1唐格林2

(1.广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007； 2.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

通过分析消能减震机理，探讨了消能减震结构的减震设计要点，通过计算，对设置消能减震构件的某高层建筑框架结构进行强震作用下的地震反应分析，指出采用消能减震结构体系是减少共振反应，确保结构安全的有效途径。

消能减震，框架结构，地震反应，抗震设计

我国幅员辽阔，约有70%的大中型城市处于地震区，建筑物集中、规模大，发生强震时容易造成巨大的损失。这就要求有一种安全、有效、经济的结构减震体系，以确保突发强震时建构物的安全，有效减轻震害，是对目前国家工程建设领域的迫切要求。传统的抗震设计方法没有考虑到结构的动力特性，而是通过加强结构，增强结构主体构件的强度和刚度(截面及配筋)来抵抗地震作用，即通过结构体自身来抵抗消耗地震传输的能量。这种抗震设计方法存在安全性难以保证、实用性有限和经济性欠佳的缺点[1]。因此有必要寻找一种安全、适用又经济的“工程结构减震控制”新体系。本文将对传统体系与设置了消能减震的新抗震体系做出对比分析，结合算例来验证消能减震新体系对结构振动的控制，总结其在结构减震控制中的优越性及实用性。

1 消能减震技术的基本理论

1.1 消能减震新体系工作原理

结构消能减震新体系，是基于结构动力理论基础，适用于不同烈度、不同结构类型的新抗震设计方法。它在结构的某些变刚度等节点处设置消能装置，增加结构物延性，来抵抗和消耗地震作用。这些消能装置，在遭遇较小烈度地震时，能充分利用结构自身初始刚度抵抗地震效应，而自身则保留了较大的耗能空间。当遭遇中、强地震作用时，结构自身刚度变形能抵抗一部分地震能量，而此时消能装置将进入工作状态，产生较大阻尼，迅速衰减结构动力反应，避免主体结构变形继续增大而破坏。结合地震时结构能量转换过程来看，若为传统结构，输入结构物的地震能量，由结构振动的动能及势能部分消耗所占比例很小(通常只有5%)，而主要由结构阻尼及结构变形来承受；若为消能减震新体系，其能量将大部分被消能装置逐渐耗散，避免结构依靠变形耗能而破坏[2]。

1.2 传统高层建筑抗震设计方法存在的问题

传统抗震体系的高层建筑结构在遭遇地震作用时，由于基础的“放大作用”，地震反应由下而上逐层放大，当结构物某部分的地震反应(加速度，速度或位移)过大时，不仅会造成主体结构的破坏，还会引起一系列的次生灾害：首先，传统结构抗震体系将既定的设防烈度或水准作为设计依据，超强地震的随机性难以预测，结构破坏难以控制，安全性难以保证；其次，传统结构抗震体系缺乏延性设计而主要依靠结构体自身来抵抗，能量耗散度低，容易引起结构内部设备或附属系统的损坏，适用性有限；再次，传统结构抗震体系通过加强结构构件的“硬抗”方式来抵抗，这样反而会加大地震作用效应的不良后果，也浪费材料，经济性欠佳。

1.3 消能减震新体系与传统抗震体系对比分析

表1给出消能减震新技术与传统抗震技术的对比情况。

表1 传统抗震技术与消能减震新技术对比表

以增加结构阻尼为主的消能减震控制技术是一种有效、安全、经济的减震耗能方法，它属于减震控制中的被动控制，它可以对耐震性能不足的工程结构物进行加固，以满足抗震性能的要求，应用范围更广[3]。

2 消能减震结构设计要点

结构消能减震的实质是通过在结构内设置消能构件(或装置)，通过增加结构阻尼，消耗输入结构体能量，有效衰减结构的地震反应。消能减震体系按其消能装置的不同，可分为两类:1)消能构件减震体系，利用结构的非承重构件作为消能装置的结构减震体系，其混凝土的接触面可以用填充粘性材料或用钢筋连接，在强震时，会出现非弹性的缝面错动，产生阻尼，以消耗地震能量。2)阻尼器消能减震体系，在梁柱节点等位置装设阻尼器。强震时，结构的这些部位会发生较大变形，使设置在该部位的阻尼器能有效地消耗地震动能量[4]。本文所采用的消能减震体系为阻尼器消能减震体系。消能减震结构应根据罕遇地震作用下的预期结构位移控制要求，设置适当的消能部件。其消能部件可由阻尼器及斜撑、墙体、梁或节点等支承构件组成。消能部件按其构造形式可分为消能支撑、消能节点和消能联结等[5]。

3 设计算例

1)结构基本情况。一幢11层现浇钢筋混凝土框架结构的高层建筑，2跨、5开间,跨度及开间为6 m，中间开间为2.4 m。底层层高4.2 m，2层～11层层高3.6 m，按8度设防，近震，建筑场地为Ⅱ类场地。本算例利用SAP2000对该建筑框架结构进行建模，主要设置消能支撑在中跨。2)两种结构非线性时程比较分析。为了对比传统抗震设计与消能减震设计在强震作用下的结构反应，导入El-Centro波，持续时间30 s。先计算分析未设置消能支撑构件的框架结构，提取各楼层的最大加速度和最大位移时程曲线，提取底层和顶层的加速度时程数据，拟合成加速度时程曲线；再提取底层和顶层的位移时程数据，拟合成位移时程曲线，分别如图1所示。对框架结构的横向中间跨处加消能减震支撑，设置粘滞阻尼单元于交叉点；同理在纵向中间跨中设置消能支撑。分析得到其加速度时程曲线和位移时程曲线，如图2所示。

对比分析上述时程曲线，可知，加消能支撑后，框架结构的顶层(加速度和位移)反应峰值比无消能支撑(纯框架)结构明显降低，而且结构时程反应曲线显示，其不仅降低了地震作用，而且有消能构件的结构比传统的纯框架结构的衰减情况明显加快。在两组结构分析结束后，分别提取了时程中传统抗震设计中未加消能支

撑的纯框架及消能支撑结构的各层最大位移和最大加速度，列于表2中。

表2 传统抗震结构与设置消能支撑框架结构对比表

通过对比，再次证明：设置了消能支撑的框架结构，在大震情况下，比未设置消能构件的纯框架，其地震反应(位移和加速度)明显衰减，作为第一道防线的消能构件，有效的保护了主体结构，达到了较好的抗震效果。

4 结语

本文比较了传统抗震设计未设置消能构件的纯框架结构和设置了消能构件的框架结构，在强震作用下的地震反应，初步可以得出以下结论：1)结构的地震反应随着楼层的增高而逐渐加大，在高层结构中设置的消能构件或消能装置，为结构体系提供了较大的阻尼从而大幅度的消耗地震作用，而且有效避免结构主体及内部装置损害。阻尼作为影响结构共振反应的主导因素，通过改变阻尼比，可以有效抑制结构动力作用的放大效应，避免出现结构的共振反应。采用消能减震结构体系，已成为减少共振反应确保结构安全的有效途径。2)在高层建筑中设置消能构件，并不作为主体承重结构，而是让其作为第一道抗震防线来耗能，能有效保护主体结构。因此，在高层建筑中设置消能构件可以做到“大震可修”。 3)强震时主体结构的刚度和阻尼都有所变化，耗能过程及反应是一个复杂的非线性问题，需要配合采用数值模拟及试验方法将控制参数确定在适当范围内，以便于合理地确定消能支撑的有效布置。

[1] 沈蒲生.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 林新阳，周福霖.消能减震的基本原理和实际应用[J].世界地震工程,2002(3)：58-60.

[3] 陈廷君.消能减震结构设计方法的比较研究[D].上海:同济大学硕士学位论文，2008.

[4] 吴泽厚，周福霖.消能减震建筑结构的计算分析[J].重庆建筑大学学报,2002(15)：168-171.

[5] 俞英娜，黄 艳.阻尼器在消能减震结构中的应用[J].吉林建筑工程学院学报，2010(23)：203-205.

On analysis of energy dissipation and seismic reduction system of high-rise architectural structure

Fang Peng1Tang Gelin2

(1.GuangxiPolytechnicofConstruction,Nanning530007,China; 2.CISDIEngineeringCo.,LtdofMCC,Chongqing401122,China)

The paper analyzes the mechanism for the energy dissipation and seismic reduction system, explores the seismic reduction design of the structures, undertakes the seismic response analysis of some high-rise framework structure under intense earthquakes by allocating the energy dissipation and seismic reduction components in the calculation, and points out the system can reduce the resonant reaction and ensure the effective channels for the structural safety.

energy dissipation and seismic reduction, frame structure, earthquake effect, seismic design

1009-6825(2016)11-0046-02

2016-01-23

方 鹏(1985- )，男，硕士; 唐格林(1986- )，男，工程师

TU352

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