粘滞阻尼墙用于装配式斜支撑节点钢框架结构减震研究

胡 倩 刘天洋

（武汉华夏理工学院 土木建筑工程学院 430223）

0 引言

装配式钢结构建筑具有工业化程度高，节能、绿色等优点[1-2]，发展装配式钢结构符合我国 “积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准和质量”的方针策略。装配式斜支撑节点钢框架结构是一种新型钢结构体系，此结构体系突破了钢结构体系只适用于多层建筑的限制，实现了向高层建筑的发展。由于装配式斜支撑节点钢框架结构中斜撑的作用，提高结构刚度的同时使其延性降低，因此非常有必要对这种新型结构体系进行减震性能分析。

粘滞阻尼墙是像墙体一样安装在结构中的新型粘滞阻尼装置，通过墙体内的粘滞液体发生剪切吸收地震能量，具有较大的阻尼力、消耗能力强、运用广泛等优点，多适用于多高层建筑的消能减震。本文通过建立装配式斜支撑节点钢框架有限元分析模型，对比分析未安装粘滞阻尼墙和安装粘滞阻墙结构的地震效应。

1 工程实例

该工程为 21 层结构建筑，对结构建模分析时，为减少计算结果受结构不规则的影响，使结构布置更加合理化，简化了结构的实际平面图，结构横纵都为6跨，长为23.4m，层高为3.3m，结构从下往上均分为3段，每段7层，各楼结构基本一致。

2 计算分析

2.1 模态分析

在SAP2000建模时，结构使用线单元模型分析，柱与斜支撑和撑脚以及梁与柱之间为刚性连接，柱与地面之间为刚性连接。桁架梁上、下弦为两段连续的压弯构件，腹杆与梁之间的连接为铰接。

对有限元模型进行模态分析，得到结构的振型和自振周期。第1阶振型为Y方向整体平动，第2阶振型为X方向整体平动，第3阶振型为整体扭转；计算分析前30阶振型质量参与系数X、Y、Z方向分别为96.4%、95.8%、99.2%大于等于90%，结果符合设计规范的要求；结构的基本自振周期 3.01s，符合 GB50009-2012《建筑结构荷载规范》规定：T1= (0.10 ～ 0.15)n=（0.21～0.315）； (T1为建筑结构的基本自振周期，n 为建筑总层数)。前3阶自振周期如表1所示。

表1 结构自振周期/s

2.2 不同布置方案下粘滞阻尼墙的减震性能研究

本文粘滞阻尼墙模型是通过将多个粘滞阻尼器串联建立起来，通过设置粘滞阻尼墙在不增加结构刚度的前提下加大结构阻尼。阻尼墙布置在结构的四个边角处，为了对比分析粘滞阻尼墙在不同布置工况下的减震效果，将21层装配式斜支撑钢框架结构分为3段，每段7层采用3种不同的布置工况。

工况一：第一段（1～7层）布置共56片粘滞阻尼墙。

工况二：第一段和第二段（1～14层）布置共112片粘滞阻尼墙。

工况三：全部楼层布置共168片粘滞阻尼墙。

对装配式斜支撑节点钢框架建筑进行非线性时程模态分析得到轴力最大杆件，将此杆件和顶层最大位移作为评价对象，研究粘滞阻尼墙对装配式斜支撑钢框架的减震效果。对原结构以及三种工况分别输入 EL-centro波进行非线性时程分析，数据如表2所示。

对比工况一、工况二和工况三，阻尼墙数量越多，减震控制效果越好；工况二从底层开始连续布置 2 /3楼层阻尼墙在保证减震效果的前提下具有更好的经济效益。

2.3 不同地震波作用下设置粘滞阻尼墙的减震性能研究

为了验证粘滞阻尼墙在装配式斜支撑框架结构中的减震性能，现在选取 三条波，分别是兰州波1（人工波）、EL-centro波（天然波）和 Taft 波 2 （天然波），取这三条波的前30s分别输入原始结构、工况一结构、工况二结构和工况三结构。由上述分析可知结构的动力性能在X向和Y向比较接近，故本文仅以结构X 向顶层位移最大值和结构的最大层间位移做对比分析。数据如表3所示。

表2 不同工况下结构响应

表3 3种地震波作用下结构响应

通过对比表3，工况一从底层开始连续布置 1 /3楼层阻尼墙，X 向顶层位移最大值减小幅度为12.4%～22.7%；工况二从底层开始连续布置 2 /3楼层阻尼墙，X 向顶层位移最大值减小幅度为45.8%～56%；工况三从底层开始到顶层连续布置阻尼墙，X 向顶层位移最大值减小幅度为61.6%～64.7%。可见设置粘滞阻尼墙后，结构的顶层最大位移都显著降低，可见阻尼墙具有很好的减震性能。

无控制结构方案中在三种地震波的作用下最大层间位移角限值均不满足《高层民用建筑钢结构技术规程》要求，规程中规定高层建筑钢结构的层间侧移标准值，不得超过结构层高的1/250。

工况一下结构的最大层间位移明显降低，但是在EL-centro波作用下的位移角限值依然不满足规范要求。

工况二和工况三减震效果接近，但是相比工况一减震效果比较显著，在三种地震波的作用下最大层间位移角限值均满足规范要求。

3 结论

1.装配式斜支撑节点钢框架在设置粘滞阻尼墙后，结构的顶层最大位移和结构的最大轴力均显著降低，可见粘滞阻尼墙可以有效的提高结构的抗震性能。

2.输入不同地震波研究粘滞阻尼墙的减震性能可以看出，在不同地震波作用情况下，减震效果都比较显著，说明阻尼墙的减震性能受地震波类别影响不大。

3.通过三种工况对比分析可以看出，阻尼墙布置数量越多，其的减震效果越明显；工况二的减震效果明显优于工况一，但是继续增加阻尼墙的布置数量，工况三的减震效果较工况二变化不大；结合经济效益，可见工况二布置方案下的结构减震性能最优。