摩擦阻尼器在框架结构平面中合理布置分析

张敏 汪东卓

摘 要：针对摩擦阻尼器在框架结构平面中合理布置进行分析.针对横向地震作用下摩擦阻尼器在空间框架结构中的5种布置形式，对摩擦阻尼器在框架结构楼层中合理布置进行了地震反应分析，研究了框架结构的楼层最大侧移、层间最大位移角和各榀框架顶部最大侧移.结果表明：在平面对称结构中，各种对称布置摩擦阻尼器的方式，其减震效果基本相同，且减震效果较显著；而非对称布置摩擦阻尼器的框架结构会产生不同程度的扭转效应，其减震效果较差，且地震反应甚至会超过相应抗震结构.因而阻尼器在结构中布置应尽量使结构刚度中心和质量中心重合，不宜使结构刚度中心和质量中心偏差加大.

关键词：阻尼器；摩擦；框架；地震；有限元

中图分类号：TU311 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.003

0 引言1

地震是一种自然现象，地震的发生有很大的随机性，地震在瞬间就能使地面的建筑物造成破坏，并可能引发火灾、疾病等衍生灾害，对人类社会造成了巨大的影响.

针对这种突发性、随机性的自然灾害，不少专家学者相继提出采用结构抗震和结构减震控制等方法进行抵抗.传统的建筑结构是通过增强结构本身的属性（强度、刚度、延性）来抵抗和消耗地震作用，耗能减震体系是在结构中增加减震装置，由减震装置和建筑结构共同耗散地震作用，并且大量的地震能量由减震装置承受，达到减轻建筑结构自身损伤的目的[1-2].摩擦阻尼器是一种性价比较高的减震装置，该装置价格便宜，制作方便，能较好地耗散地震和风荷载中的能量，进而保证在地震作用下建筑结构的安全性和使用性[3].

国内外很多学者对结构中设置摩擦阻尼器和其他阻尼器耗能体系的地震响应进行了相关研究.1987年Pall摩擦阻尼器（嵌入制动摩擦垫块）在循环荷载作用下的试验研究结果表明[4]：该耗能器的工作性能稳定（50次循环加载基本上不出现退化现象），耗散能力强，其滞回曲线接近理想矩形.彭凌云等[5]提出一种拟线性摩擦阻尼器，经过实验数据和理论数值模拟结果表明：该阻尼器具有与位移量有关联的线性滞回阻尼的基本特征，基于弹性力学给出的近似计算公式能够反映试验得到的阻尼器滞回特点，可以用于阻尼器的初步设计. Kazutaka等[6]对摩擦阻尼器的阻尼力和位移因变量特性进行研究后发现：摩擦阻尼能展现目标特征、性能稳定，在循环载荷下具备高耐久能力，安装阻尼器的高层建筑在长期抗震中是非常理想的.朱军强等[7]通过压电陶瓷的压电反应，研发出一种基于半主动控制的新型压电摩擦阻尼器，在不同的电压情况下，由 ABAQUS有限元软件进行动力时程分析，解出此阻尼器的滞回曲线，为其工程应用提供理论依据.胡强等[8]对方钢管铅芯阻尼器进行力学和有限元分析，探讨其阻尼器的抗震性能.李创第等[9]对设置粘弹阻尼器的基础隔震结构进行平稳响应分析，通过复模态法分析得到其结构的位移反应和加速度反应，进而讨论其耗能能力.马真迪[10]通过有限元软件对波纹型、光滑型两种摩擦阻尼器分别进行动力时程分析，通过摩擦系數等效转化的方案，将等效的摩擦系数输入到 MIDAS建立的框架模型中，获得波纹摩擦阻尼器的抗震性能.周圆兀等[11]通过力的等效处理和解耦法分析了粘滞阻尼耗能结构的地震反应，验证了其方法准确性较高.张海龙等[12]在结构上附加 T型摩擦阻耗能减震装置，在罕见地震作用下进行动力分析，并应用 SAP2000软件对比分析得到该结构的位移和内力反应差距，验证了在高层钢框架结构中设置T形芯板摩擦阻尼器具有良好的耗能减震作用.孙飞飞等[13]提出了一种适用于多层框架结构的新型摩擦消能减震楼梯及其构造形式. 针对所采用阻尼器布置方式，提出并验证了梯段板等效四平行杆模型；认为采用刚接方法计算楼梯内阻尼器附加阻尼比结果更准确，且计算量较小，可供设计人员参考.

上述研究主要针对地震作用下阻尼器对单榀框架的减震效果，但任何建筑都是空间结构，阻尼器在空间结构中的减震效果与阻尼器在空间结构平面布置有关，阻尼器在空间结构平面内如何分布，这对结构地震反应有直接影响.因此，本文针对摩擦阻尼器在框架结构平面内的平面分布进行分析，研究该阻尼器在框架平面内对称分布和非对称分布的地震反应，得出各阻尼器在结构平面内的合理布置原则，从而为该消能减震结构的合理设计提供参考.

本文针对单向地震作用下，摩擦阻尼器在框架结构平面内分别采用3种对称布置、2种非对称布置方案进行地震反应分析，以楼层最大位移和各楼层的层间最大位移角作为衡量依据，通过SAP2000有限元软件进行模拟分析，讨论阻尼器分别采用该5种布置方案对建筑结构的减震效果，从而得出阻尼器在空间框架结构平面内的合理布置方案及合理布置原则.

1 摩擦阻尼器参数确定

1.1 摩擦阻尼器形式

本结构采用的摩擦阻尼器为摩擦剪切耗能器，如图1所示.当框架侧移时，摩擦阻尼器上、下水平板间的滑动量与楼层层间侧移相同.

1.2 摩擦阻尼器的作用力

2 工程算例

该算例为一栋钢筋混凝土框架结构的建筑物，建筑物总高度为34.2 m，共10层，首层高度为4.5 m，其余各层高度均为3.3 m；该建筑物抗震设防烈度为8度（0.3 g），地震分组为第二组，设防类别丙类；梁板柱混凝土强度等级均为C30；楼屋面恒载标准值为10 kN/m2，楼屋面活载标准值为2 kN/m2；梁截面尺寸为300 mm×650 mm，柱截面尺寸600 mm×750 mm，板厚为100 mm；框架模型的平面布置如图2所示.

通过SAP2000建模分析得：结构横向自振周期T1=1.318 s；T2=0.428 s；T3=0.240 s.单向地震作用下，对布置摩擦阻尼器的不同工况下的框架结构进行分析，结构分别沿横向按图3（b）—图3（f）布置摩擦阻尼器.图中各方案每个楼层的总滑动摩擦力均相等，每层阻尼器总滑动摩擦力f均为700 kN.

本文分别考虑4类场地的地震波，即：Ⅰ类场地OROVILLE波、Ⅱ类场地El-Centro波、Ⅲ类场地HOLLYWOOD STORAGE波、Ⅳ类场地天津波.根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[14]，各地震波的加速度峰值均为110 gal.

3 单向地震作用阻尼器布置

在平面对称的框架结构中，在横向地震作用下，考虑以下阻尼器对称布置3种方案，和阻尼器非对称布置2种方案，分别对其进行地震反应分析，如图3所示.

图3（b）、图3（c）、图3（d）代表在框架结构中对称布置摩擦阻尼器，图3（e）、图3（f）代表在框架结构中非对称布置摩擦阻尼器.

图3中括号中数字如（1-3），表示建筑结构中均匀布置摩擦阻尼器的层数是从第一层至第三层，其他括号内数字同理.

4 结构楼层地震响应

采用SAP2000软件建模分析，其中当阻尼器两端相对速度不为0时，摩擦阻尼器阻尼力采用下列分析模型：

4.1 楼层最大侧移

分析表明：

1）在平面对称框架结构分别按图3（b）、图3（c）和图3（d） 对称布置摩擦阻尼器的方案下，结构各楼层最大位移反应相对抗震结构（无阻尼）均显著减小，并且各方案减震效果基本一致.由此得出，阻尼器在建筑结构中对称布置时，能极大减小建筑结构的地震反应，且减震效果基本相同.

2）在图3（e）摩擦阻尼器布置方案下，同图3（b）、图3（c）和图3（d）对称布置方案相比较，减震效果有所差距，这是因为建筑结构中的阻尼器布置方式不对称，从而使建筑结构产生了扭转效应，进而增大了楼层最大位移，因此减震效果减弱.

3）在图3（f）摩擦阻尼器布置方案下，即阻尼器仅布置在结构一侧，阻尼器的非对称程度增大，从而使结构的扭转程度增大，进而较大地减弱了结构的减震效果，甚至其地震响应超出了相应的抗震结构.

因此，在平面对称框架结构中摩擦阻尼器不宜非对称布置，尤其是阻尼器严重不对称布置更应避免.

4.2 各榀框架顶层水平位移分布

在横向地震作用下，图5中的所有布置方案各榀框架顶层水平位移结果见下图所示.其中，0刻度水平线以上表示建筑结构在地震作用下的正向横向位移，用实线表示；0刻度水平线以下表示建筑结构在地震作用下的反向横向位移，用虚线表示.

以上分析表明布置方案e（图3（f））的结构顶层楼层侧移沿平面位置变化较大，这是由于结构按照非对称方案布置摩擦阻尼器，结构在地震作用下发生了扭转，故其地震反应顶层侧移沿平面位置分布不均匀，这对结构抗震不利.

4.3 楼层层间最大位移角

图6可见：

1）在图3（b）、图3（c）和图3（d）摩擦阻尼器对称布置方案下，其层间最大位移角相对相应抗震结构显著减小，具有较好的减震效果；且此3种对称布置方案的减震能力基本相同.由此可见，对称布置阻尼器的建筑结构的减震效果基本相同.

2）在图3（e）摩擦阻尼器布置方案下，其层间最大位移角相比于前3种布置方案减震效果较弱，这是由于阻尼器非对称布置时，产生了扭转效应，减弱了减震效果.

3）在图3（f）摩擦阻尼器布置方案下，即阻尼器仅布置在结构右侧，相比于前4种布置方案，其扭转程度增大，减震效果更差，甚至地震反应超过了相应抗震结构.

故平面对称结构在布置摩擦阻尼器时，应当避免阻尼器非对称布置方案.

5 布置方案d和方案e结构A轴、G轴框架顶层位移时程曲线

由图7、图8可见，阻尼器不对称布置时，各结构顶层位移时程曲线不一致，表明结构存在扭转效应.

6 布置方案d和方案e顶层扭转时程曲线

由图9、图10可见，阻尼器布置越不对称，结构扭转程度越大.

7 结论

1）单向地震作用，相对于传统的抗震结构，平面对称的建筑结构在摩擦阻尼器对称布置方案a、方案b、方案c下，结构各楼层最大位移和层间最大位移角相均显著减小，能较好地抵抗、消耗地震能量，并且减震效果基本相同.因此，对于平面对称的框架结构，阻尼器在结构平面内宜对称布置，且只要楼层阻尼器的总阻尼不变，不论阻尼器采用何种对称布置方案，结构地震反应和减震效果就基本相同.由此可在实际工程中根据建筑和使用需要，合理调整阻尼器的平面布置位置.

2）单向地震作用，平面对称的建筑结构在摩擦阻尼器非对称布置方案d、方案e下，相对于对称布置方案a、方案b、方案c，其减震效果减弱，这是由于在地震作用下非对称布置阻尼器时框架结构产生了扭转效应，并且随着非对称程度的增大，结构扭转程度增大，减震效果逐步变差，甚至超过无阻尼结构的地震作用.故在工程设计中，平面对称结构布置阻尼时，应避免非对称布置方式.因此，阻尼器在结构中平面布置时，应尽量使结构刚度中心和质量中心重合，不宜使结构刚度中心和质量中心偏差加大.

参考文献

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