某高层剪力墙结构消能减震性能分析

王旭明

摘 要：为研究消能减震技术对剪力墙结构的抗震效果，以某市某高层剪力墙住宅作为工程背景，通过有限元软件ETABS建立原结构和设有黏滞阻尼器的减震结构，并进行时程分析。分析结果表明：无论是在多遇地震下还是罕遇地震下，设有黏滞阻尼器的减震结构在层间剪力和层间位移角方面都明显减小，从而有效减小了地震力对结构的破坏。

关键词：剪力墙结构;消能减震技术;黏滞阻尼器;非线性时程分析

Abstract： In order to study the seismic effect of energy dissipation and shock absorption technology on the shear wall structure， the original structure and the shock absorption structure with viscous damper were established by ETABS finite element software with a high-rise shear-wall residence in a city as the engineering background， and the time- history analysis was carried out. The analysis results show that the shear force and displacement Angle between layers of the structure with viscous damper are obviously reduced under both frequent and rare earthquakes， thus effectively reducing the damage of the structure caused by seismic force.

Keywords： shear wall structure; energy dissipation and shock absorption technology; viscous dampers; time-nonlinear time history analysis

我国处于地震频发带，发生地震时，建筑物往往会遭到较大破坏。改革开放以来，伴随着经济的不断发展，高层建筑物获得了广阔的发展空间。剪力墙结构是高层建筑物首选的结构形式之一。随着消能减震技术在我国的发展，无论是在医院、机场等重要建筑物还是住宅建筑物中，剪力墙结构的应用都越来越多。消能减震技术往往是在结构适合的部位设置耗能装置，通过该装置产生摩擦、弯曲（或剪切、扭转）、弹塑性（或黏弹性）滞回变形来耗散地震输入的能量，从而避免重要结构主体构件产生破坏或者结构发生坍塌[1]。在剪力墙结构中采用消能减震技术可以弥补结构薄弱部位的不足，达到提高抗震效果的目的。许多学者对高层剪力墙结构有关消能减震技术的抗震效果进行了一系列试验与研究。例如，安海玉等对黏滞阻尼墙在高层剪力墙中的应用进行了研究[2];钱辉、徐建等提出了一种兼具自复位和耗能功能的新型自复位耗能连梁[3]。

本文对某市高层剪力墙结构进行消能减震设计。通过黏滞阻尼器的合理布置和设计，分别在多遇地震和罕遇地震下对原结构和减震结构进行了非线性时程分析，分析研究黏滞阻尼器剪力墙结构的抗震效果，从而为工程设计提供指导和依据。

1 工程概况

工程为某市高层剪力墙住宅，建筑地上共有16层，每层层高均为2.9 m。所在地区抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.15[g]，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45 s。

2 结构减震设计

2.1 结构模型建立

工程通过ETABS建立原结构有限元模型进行分析，在其已有的原结构模型（如图1所示）中合理布置黏滞阻尼器进行非线性时程分析，并与原结构进行对比分析。

2.2 阻尼器的布置方案

阻尼器布置应遵循“四周、均匀、分散、对称”的原则。黏滞阻尼器布置如下：X方向每层布置8个，Y方向每层布置4个，每层的布置方式相同，共布置192个黏滞阻尼器。设有黏滞阻尼器的减震结构模型，如图2所示。

2.3 地震波的选取

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[4]以及工程规范的要求选取3条地震波，其中天然波1（TH3TG045）、天然波2（TH124TGO45）和1条人工波（RH2TGO45）。本文主要针对天然波1进行分析。

3 基于ETABS的减震分析

基于ETABS采用非线性时程分析法对原结构及减震结构进行分析。地震波采用X方向输入，多遇地震下的加速度值为0.45 g，罕遇地震下的加速度值为0.50 g。

3.1 原结构动力特性分析

通过ETABS对原结构进行非线性时程分析，得到其结构（X方向）在多遇和罕遇地震下的层间位移角、层间剪力，如表1所示。

根据规范可知，剪力墙结构在多遇地震下的层间位移角限值是0.001 25 rad，在罕遇地震下的层间位移角的限值是0.010 00 rad[4]。从表1可知，原结构的层间位移角符合规定[5]。

3.2 减震结构动力特性分析

为了进一步提高结构的抗震性能，通过ETABS建立设有黏滞阻尼器的减震模型并进行非线性时程分析，并在多遇地震和罕遇地震下与原结构进行对比分析[6]。

3.2.1 多遇地震下的反应分析。原结构在多遇地震下的最大层间位移角和最小层间位移角分别是0.001 01 rad和0.000 30 rad，最大值出現在第6层;最大层间剪力也出现在第6层为80.455 kN，最小层间剪力出现在第16层为18.697 kN。设有黏滞阻尼器的减震结构在多遇地震下的最大层间位移角和最小层间位移角分别是0.000 89 rad和0.000 27 rad，最大值出现在第5层;最大层间剪力和最小层间剪力分别出现在第6层和第16层，大小分别为70.869 kN和16.846 kN。从图3和图4可以看出，无论是原结构还是设有黏滞阻尼器的减震结构，层间位移角和层间剪力都是从第1层逐渐增大，在5层或6层达到最大值，之后逐渐减小。但是，设有黏滞阻尼器的减震结构的层间位移角和层间剪力明显要小于原结构，可知设有黏滞阻尼器的减震结构要比原结构更加稳定，抵御地震力的能力更强[7]。

3.2.2 罕遇地震反应分析。原结构在罕遇地震下的最大层间位移角和最小层间位移角分别是0.005 68 rad和0.001 72 rad，分别出现在第5层和第16层;最大层间剪力出现在第6层为453.405 kN，最小层间剪力出现在16层为105.365 kN。而加有阻尼器的减震结构在罕遇地震下的最大层间位移角和最小层间位移角分别是0.005 03 rad和0.001 54 rad，最大值也出现在第5层;最大层间剪力和最小层间剪力分别出现在第6层和第16层，大小为399.372 kN和94.938 kN。从图5和图6可以看出，无论是原结构还是设有黏滞阻尼器的减震结构，层间位移角和层间剪力都是从第1层逐渐增大，在5层或6层达到最大值，之后逐渐减小。计算设有黏滞阻尼器的减震结构的最大层间位移角和最大层间剪力是原结构的88%，明显小于原结构，可知设有黏滞阻尼器的减震结构要比原结构更加稳定，抵御地震力的能力更强。

4 结论

①无论是多遇地震还是罕遇地震，原结构和减震结构的薄弱层都处在中部即4～9层，但在地震的影响下设有黏滞阻尼器的减震结构在该部位受到的影响明显小于原结构。

②在多遇地震下，设有黏滞阻尼器的减震结构的层间位移角及层间剪力均比原结构的要小，表明减震结构比原结构更加稳定，有效减小了地震对原结构的破坏。

③在罕遇地震下，设有黏滞阻尼器的減震结构的层间位移角及层间剪力依然比原结构要小，表明减震结构要比原结构更加稳定，有效减小了地震对原结构的破坏。

参考文献：

[1]林洁.消能减震技术在剪力墙住宅结构中的应用[J].建筑结构，2019（增刊1）：464-468.

[2]安海玉，朱轶君，刘畅.粘滞阻尼墙在高层剪力墙住宅中的应用[J].建筑结构，2019（增刊2）：424-429.

[3]钱辉，徐建，张勋，等.带自复位耗能连梁的剪力墙结构的抗震性能[J].土木与环境工程学报（中英文），2021（3）：9-15.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5]侯敏，李淑国，左秀国，等.关于框架-剪力墙结构的混合消能减震研究[J].价值工程，2018（22）：165-170.

[6]翁大根，吕西林.消能减震结构设计参数研究与试验[J].地震工程与工程振动，2004（2）：150-157.

[7]吴迈，刘政，袁继强，等.粘滞阻尼器在既有建筑抗震加固中的应用[J].工程抗震与加固改造，2020（6）：90-95.