基于阻尼比的混合减震结构效果研究

周连伟

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁大连116011）

基于阻尼比的混合减震结构效果研究

周连伟

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁大连116011）

运用SA P2000进行数值分析，对比了设置隔震支座、设置钢阻尼器以及两种装置混合设置在一起结构的消能效果，并对层间剪力、结构顶点位移曲线等参数进行对比分析。结果表明，混合消能减震结构具有很好的消能效果，比设置单一消能构件的结构具有更加优越的减震效果，可以使目标建筑结构的抗震性能得到显著提高。

减震结构；阻尼器；铅芯橡胶支座；混合消能；时程分析

0 引言

我国部分区域属地震多发地带，由于客观的实际需要，抗震技术得到了不断的发展，并提出了不同的抗震技术方法。传统的抗震技术属于被动型，也就是完全依靠结构构件的刚度来抵抗地震，即所谓的“硬碰硬”的抗震方法。按照这种方法设计的建筑，抗震构件之间会发生裂缝，这些裂缝会消耗一部分能量，从而减少对建筑物的破坏。所以这种建筑在地震以后可能会引起建筑物梁、柱的破坏，甚至造成建筑物的倒塌。按照《建筑抗震设计规范》（G B 50011—2010）的要求，抗震设计的基本理念是“大震不倒、中震可修、小震不坏”，即建筑在遭受较小强度地震时，结构不允许发生任何破损，在遭受设防烈度的地震时，允许结构构件发生损坏，但在地震后经过适当的修复仍能正常使用，而当遭受到超过设防烈度的大地震时，建筑物内部损坏比较严重，结构无法修复，但要求尽量保证建筑物不倒塌、不伤人。但是，在实际的地震中房屋倒塌的现象一再出现，其结果是令人深思的。由于传统技术方法的种种缺陷，发展出了隔震技术和消能减震技术。隔震技术是将过去“硬碰硬”的技术方法转变为“以柔克刚”的方法，其是将建筑物的上部和基础隔开。所谓的“基础隔震”其实质就是在建筑物的底部与地基之间，增加适当的缓冲物，使得建筑物在受到地震波作用后的加速度反应大大减弱，同时让建筑物的位移主要由隔震系统来承担，从而使得建筑物在地震中产生相对较小的变形，以达到防护的目的。目前使用较多的基础隔震元件有叠层橡胶支座、砂垫层隔震、石墨垫层隔震、摩擦滑移隔震等。消能减震技术是指运用各种阻尼器消耗地震输入到结构中的能量。这些阻尼器可布置在结构的关键部位以保护主体结构。常用的阻尼器有位移相关型的、速度相关型的以及其他类型的。

隔震技术只具备隔离一部分水平地震的功能，对竖向的地震作用是没有影响的，特别是对于高层和超高层结构，其隔震效果就更加不理想了。所以，本文探讨了一种混合措施，即把隔震技术与消能减震技术联合起来考虑。传统的结构计算很多都假设结构的阻尼是一个常数，但研究表明并非如此。结构阻尼比是不断变化的，并且很难判定，通常结构的阻尼比是随着振型变化的，随着振型的增加，阻尼比不断增加。根据国内外隔震减震的理论研究和工程实际经验[2-8]，本文以大连地区一栋框架结构为研究背景，基于SA P2000建立三维有限元模型，考虑振型阻尼比选，对比分析了各种工况下混合消能减震结构、阻尼器结构、隔震结构和无控结构的地震响应结果，验证了混合消能结构具有良好的减震效果。

1 钢阻尼器和铅芯橡胶支座的力学模型

耗能减振装置的力学模型是耗能减振结构的动力分析基础，恢复力特性的数学模型主要分为两类：一类是用复杂的数学公式予以描述的曲线型；另一类是分段线性化中的曲线型的力学模型，给出的刚度是连续变化的，与工程实际比较接近，但是计算比较复杂。目前广泛使用的是折线型模型。金属阻尼器通常采用的力学模型主要有理想弹塑性模型、双线型模型、多曲线模型、W e n力学模型。本文钢阻尼器所用的力学模型是基于1976年W e n提出的滞后行为。其中曲线型的力学模型给出的刚度是连续变化的，与工程实际比较接近，但是计算比较复杂。W e n力学模型的关系式为：式中：k为弹性弹簧常数；σy为屈服力；r为指定的屈服后刚度对弹性刚度k的比值；z为一个内部滞后变量，此变量范围为|z|≤1，|z|=1，代表屈服面；e x p为等于或大于1的指数，此指数越大，屈服比率越陡，实际指数现值大约是20；等价于W e n模型A=1及α=β=0.5。

本文铅芯隔震单元采用R ubb e r is oll a to r单元，设定两个剪切自由度均为非线性，耦合的力-变形关系为：

式中：k2和k3为弹性弹簧系数；σy2和σy3为屈服力；r2和r3为屈服后刚度对弹性刚度（k2和k3）的比例。

2 工程实例

2.1 工程简介

大连某11层建筑，建筑高度34 m，长31.5 m，宽16 m。建筑物所处地区地震烈度为7度，场地类型为Ⅱ类，设计地震分组为二组，特征周期为0.40 s，现拟通过安装钢阻尼器和隔震支座使目标结构的抗震能力提高。

2.2 阻尼器的参数

本文选用的阻尼器为圆孔型钢阻尼器材料，采用50mm厚的Q235钢材制成，屈服位移为ud1=2.2m，屈服力Fy1=375 k N,初始刚度Ka1=170.5 k N/mm。选用的铅芯隔震支座的具体参数为：线性部分的有效刚度为1.99 k N/mm，有效阻尼为0，非线性部分的刚度为9.9 k N/mm，屈服力为90.2 k N，屈服后刚度比为0.154。阻尼器主要布置在结构底层框架上。施工过程中，在梁内预埋钢板，软钢阻尼器采用坡角焊接形式与预埋钢板焊接在一起，下端采用同样的方法与水平钢板焊接，并与钢支撑相连。每一榀框架内，阻尼器均设在梁与支撑节点处，采用三片阻尼器叠放形式[10]，隔震支座通过安装预埋钢板于基础和上部结构之间，形成柔性隔层，使基础和上部结构断开。

3 计算结果对比

3.1 模态分析

为了考虑振型变化对阻尼的影响，按照结构周期变化插值的方法来考虑该因素对阻尼的影响，并对比考虑阻尼比与不考虑阻尼比之间的差别。《建筑抗震设计规范》（G B 50011—2010）明确规定了结构振型参与质量不得小于0.9的比例。表1为无控结构模态分析给出的部分数据，这里只给出结构的前五阶的振型数据。

表1 无控结构的模态分析数据

从表1可以看出，第一阶为平动振型（U X+U Y＞R Z)且属于X方向的平动振型，第二阶振型为Y方向的平动振型，第三阶则属于绕Z轴的扭转振型（U X+U Y＜R Z),并且当计算到第5阶的时候，S u m U X、S u m U Y都大于0.9，满足了规范对参与质量达到总质量的90%的要求。图1为有控结构前几阶的振型图。

图1 无控结构的前四阶振型图

3.2 有控结构的模态分析

图2从左到右分别为加设隔震支座、加设阻尼器和加设两种装置的模型图，并分别对这三个模型进行了模态分析。表2为各结构的前三阶周期。

图2 结构模型图

表2 各工况下结构的周期

对比表1和表2可以看出，加了隔震支座以后结构的自振周期明显增大，但是加设阻尼器并不会太大改变结构的自振周期反而会略微减小结构的自振周期，这是因为阻尼器会加大结构的刚度，计算发现改变结构的阻尼比对结构周期的影响并不大。

3.3 各工况下的时程分析

多条地震波对比可以更全面地反应结构在不同情况下的地震响应，从而可以更加全面地考察结构在不同情况下的消能效果。根据《建筑抗震设计规范》（G B 50011-2010）第12.2.2条，一般情况下宜采用时程分析法进行计算，时程分析采用三组地震波：E L C e n t r o波、兰州波、唐山波。三条地震波的时程曲线见图3。

为了考虑阻尼比的影响，将对比分析分为两组：一组为考虑阻尼比变化，一组为常阻尼的情况。限于篇幅这里只对比罕遇的地震工况。由于图量较多这里只考虑各种地震波在7度罕遇下的工况。

从图4可以看出，不论考虑不考虑阻尼，双控结构都具有更好的控制结构层间剪力的作用，且隔震支座对层间剪力的控制相对于阻尼器来说更加具有优势。从图中可以看出阻尼比对层间剪力有比较大的影响，所以按常阻尼考虑结构的阻尼是不太合适的。结构的层位移可以很好地体现结构的消能效果，所以下面再以结构的顶点位移这个参数来考虑不同消能形式的消能效果。

图3 三条地震波时程曲线

图4 三条地震波下常阻尼与变阻尼的结构层间剪力对比图

图5 三条地震波下常阻尼与变阻尼的结构顶点位移对比图

从图5可以看出，在控制结构顶点水平位移方面，双控结构相对于隔震结构，阻尼器结构显然具有更加好的效果，与是否考虑结构的阻尼比没有多大的关系。不论把结构的阻尼比看作是常阻尼还是变阻尼，其趋势基本一致。另外，不同的地震波在同一个建筑上产生的效果，差距还是比较大的，所以考虑更多的地震情况显然是有必要的。

4 结论

本文以大连某框架结构为研究背景，对比分析了各种工况下混合消能减震结构、阻尼器结构、隔震结构和无控结构的地震响应结果，得出以下结论：

（1）经分析可知，隔震-钢阻尼器混合消能结构具有比隔震结构、阻尼器结构更加出色的减震能力，在E L C e n t r o波、兰州波、唐山波作用下减震效果有所差异。考虑到地震作用的复杂性，所以应该尽量多取几组符合结构所在场地地质特性的地震波进行时程分析，确保分析结果的可靠性。

（2）隔震阻尼器可以隔绝一部分输入结构的地震能量，钢阻尼器可以进一步消耗能量，并减少结构的位移，两种阻尼器协同工作从而形成两道防护，使结构更加安全稳定。

（3）阻尼比对结构分析是有影响的，合理地考虑结构阻尼比是混合结构等消能结构非常重要的一个环节，但是由于结构阻尼比的复杂性，我们往往不能正确计算出结构的阻尼比，所以这一方面有待进一步研究。

[1]G B 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

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T U973.3+1

A

1009-7716（2017）06-0250-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.074

2017-04-06

周连伟（1977-），男，辽宁大连人，高级工程师，硕士，主要从事桥隧、结构设计研究工作。