某框架结构采用屈曲约束支撑与粘滞阻尼器的消能减震的应用研究

邢秀琪 潘文 张田庆

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500； 2.昆明理工大学工程抗震研究所 昆明 650500；3.中国建筑第二工程局有限公司 昆明 650500)

0 引言

屈曲约束支撑也可以叫做防屈曲支撑或BRB(Buckling Restrained Brace),它是一种比较新型的消能减震部件。防屈曲支撑具有较强的变形能力和良好的滞回性能和成本低廉等优点，它可以增加结构的刚度[1]。而粘滞阻尼器是研究比较成熟的阻尼器之一，它是一种速度相关性消能元件。粘滞耗能阻尼器的研发和应用的意义非常重大，让建筑结构或桥梁结构更加安全，就好像装上了“安全气囊”[2]。在地震来临时，阻尼器能在地震发生时最大限度地吸收和消耗地震能量进入建筑物结构，减轻地震对建筑物结构的冲击和破坏。本文以某医院框架结构为例，深入研究了屈曲约束支撑和粘性阻尼器的组合效应，并且与只有屈曲约束支撑的减震结构通过在地震作用下的地震响应分析进行对比，从而得到BRB与粘滞阻尼器联合的减震设计的可行性。

1 屈曲约束支撑及粘滞阻尼器的特性

1.1 屈曲约束支撑

桁架结构系统在建筑结构中经常可以用到并且可以为弯曲的框架或结构发展提供一个较大的侧向刚度和承载管理能力，但是，正常的支撑杆会在压力下弯曲，而当支撑杆在压力下弯曲时，其刚度和承载力会急剧下降。在地震或风的影响下，支撑的内部强度在压力和张力下会来回变化。支撑件的内部强度和刚度可能从扭转状态变为张紧状态时接近为零。因此，普通支撑在反复荷载作用下的滞回性能不是很好。为了解决支撑件的极限扭转和滞回性能不足问题，将护套放置支撑件外部以建立支撑件的极限扭转力和极限承载力。

扭力限制支架仅将底板连接到其他组件，所有负载均由底板承担。外壳和填充材料只能防止底板在压力下扭曲，从而使芯板在张力和压力下都可以进入屈服状态。所以，BRB的滞回性能非常不错。一方面，常规支撑件的拉伸和压缩承载力差异较大，然而屈曲约束支撑可以有效地避免这一不足。另一方面，它具有金属阻尼器的功耗能力，并且可以充当机箱中的“保险丝”，从而使主体基本上保持在灵活范围内。因此，常规支撑框架在中震、大震下的性能可以通过BRB的应用来大大提高[3]，其抗震性能的对比如表1。

表1 屈曲约束支撑框架与普通支撑框架的抗震性能比较

1.2 粘滞阻尼器

粘滞阻尼器是与速度有关的能量消散装置，其使用液体的粘度来提供阻尼以消散振动能。 它的能量消散(振动)装置为负速度型并且使用粘性材料作为阻尼介质，主要用于能量吸收和结构振动消散。它适用于不同地震烈度区域的建筑结构和设备基础项目的安装、维护和更换，且简单方便。

粘滞阻尼器由圆柱管、活塞、粘滞流体材料和导向杆组成，在圆柱管中填充有粘滞流体材料，活塞可以在圆柱管中更换。当结构变形以使缸筒和活塞彼此相对运动时，流体材料被迫流过小孔或间隙，从而产生阻尼力，通过耗散粘性能量消除振动能量，从而达到减震的目的。

粘滞阻尼器的特性是提供结构的附加阻尼，但不提供附加的刚度，因此它不会更改结构的自然振动周期。粘滞阻尼器不会改变结构的自然振动周期的原因是它有一种特性是为结构提供额外的缓冲，但不提供额外的刚度。它的优点如下：①在经济上有优势，并且可以减少切割墙的数量，可以增强横梁、支柱和组件的横截面尺寸；②它具有强大的可用性，不仅只能用于新民用建筑的抗震和抗风，也可以广泛用于现有民用建筑的抗震加固或震后修复项目；③当轴端的弯矩最大时，用粘滞阻尼器固定的支腿不会对轴施加轴向力；④维护成本低[4]。

2 阻尼器的布置及地震波的选取

2.1 BRB布置

结构在两个主轴向上的动力特征相似是防屈曲支撑布置的原则[5]。并且其垂直布置应使结构的刚度在整个上升方向上均一。它应以相对较大的位移或相对的层间速度放置在地面上。想要提高阻尼器的阻尼效率则应布置合理的形状，因为合理的形状会增加阻尼器两端的相对变形或相对速度。它的布局不应使结构看起来像弱组件或弱层。本项目一共7层，1～5层每层布置32根，x方向y方向各16根，一共布置160根。为了方便查看各个减震器的力和位移情况，将每层减震器进行编号，编号命名规则为方向-楼层(建筑楼层)-减震器型式-序号(X-i-Z-1)。BRB减震器性能参数统计表如表2所示。

表2 BRB减震器性能参数

2.2 粘滞阻尼器的布置

粘滞阻尼器的布局还遵循平面图中的“均匀，分散和对称”布局原则。本项目一共7层，1～4层布置粘滞阻尼器，每层布置8根，x、y方向分别布置4根，一共32根。编号命名规则为VFDX-i-1，意思是x向第i层的第1个阻尼器。根据粘滞阻尼器的性能特征表，各种类型的阻尼器在小地震中都会消耗能量，因此粘滞阻尼器可以在小地震下为结构增加一定的附加阻尼率。粘滞阻尼器性能规格见表3。

表3 粘滞阻尼器性能规格

2.3 地震波的选取

《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[6]第5.1.2条要求，采用时程分析方法时，应记录真实烈度和地震情况。 根据现场类别和地震设计组，选择人工模拟的加速度时程曲线。其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。如果从工程方面来看，时程分析的结果可以支持安全要求最小限度。然而，计算的数据应该小一点，根据规定每个地震波输入的计算不能小于120%，且不能大于135%。根据《建筑物抗震设计规范》(GB 50011—2010)[6]，对其5.1.2条的解释“在统计意义上相符”是多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。

该报告选择了5条当前强地震的记录和2条加速度时程的人工模拟曲线，比较结果见表4、表5。

表4 非减震结构底部剪力对比

表5 地震波信息

7个地震波的反应谱和加速度时程曲线如下图1和图2所示。

图1 地震波的反应谱

图2 加速度时程曲线

3 多遇地震下的时程分析

本项目减震结构的有限元分析是通过有限元分析软件SAP2000进行的，对减震结构进行弹塑性时程分析也是通过SAP2000进行的。 SAP2000软件的功能非常齐全并强大，尤其是它的非线性动力分析功能，可以在多遇地震下准确地分析主结构的变形特性的弹性和阻尼特性。 为了突出BRB与粘滞阻尼器在多遇地震的影响下的减震效果，对结构进行单向地震输入作用下纯框架结构、只带有BRB的结构以及BRB与黏滞阻尼器联合的最大位移角、楼层间剪力对比如表6—表8所示。

可以从表6看出，纯框架结构的最大位移角比BRB框架结构的最大位移角要大，产生这个现象的原因是对屈曲约束支撑的布置可以增加结构的刚度，则结构的最大位移角减小。而BRB与粘滞阻尼器联合的框架位移角是最小的，原因是粘滞阻尼器的特征是提供附加阻尼比，BRB增加结构刚度，从表6的结果看来在BRB与粘滞阻尼器联合共同发挥作用下框架结构的减震效果最好。

表6 最大位移角对比

由表7和表8可以看到在x方向和y方向上BRB与粘滞阻尼器联合的框架结构的楼层间剪力较小，其原因是BRB为结构提供刚度同时粘滞阻尼器不提供刚度却在地震作用下消耗了一定的能量，二者协同合作发挥作用。

4 罕遇地震下的时程分析

由于多遇和罕遇地震下BRB与粘滞阻尼器减震效果相似，则在罕遇地震作用下不具体分析纯框架结构和BRB结构之间的最大位移角的对比，而是深入的研究了BRB与粘滞阻尼器联合的层间位移角与非减震结构之间的对比，以显示BRB与粘滞阻尼器联合方式的可行性。

在弹性时程分析的过程中不考虑结构的几何非线性但考虑非线性材料，采用小变形假设。要解决运动的微分方程，确定程序提供的lper-Hughes-Taylor逐步积分方法，其中β值取0.25，γ0.5的值和alpha参数等于0，并且在这个过程中会依据规格调节所选的地震波的振幅。在过程中选择了3个地震波进行大震，包络值为分析结果。为了得到结构的地震响应结果在单向地震输入下分析了结构的弹性动力特性并且分析了弹性体塑料在不同地震波和不同地震输入方向下的性能。表9显示了在罕见地震的影响下，减震结构与非减震结构之间的层间位移角。x方向的减震结构与非减震结构层间位移角曲线如图3所示，y方向的减震结构与非减震结构层间位移角曲线如图4所示。

从表9可以看出在x方向和y方向上6、7层的减震结构的层间位移角相较非减震的层间位移角有所增加，而1～5层的减震结构的层间位移角相较于非减震结构的减小了。出现这个现象的原因是6、7层没有布置BRB或阻尼器，并且在1～5层布置阻尼器时由于结构不完全对称出现扭转效应，结果是减震结构的层间位移角增加。

5 结论

(1)在多遇地震下，由于BRB与粘滞阻尼器的联合作用，结构的层间位移角与楼层间剪力都有很明显的改善。这种阻尼器联合的方式发挥了积极的作用，可以提高结构的安全性，而且可以改善抗地震的能力，在这个基础上也可以改善建筑的使用环境。

(2)在罕见地震中，所有阻尼器都进入了塑性滞回耗能过程。并且BRB和粘性阻尼器都发挥自身的优势，显示出良好的耗能能力，为主体结构提供了良好的安全保障。综上所述，BRB与粘滞阻尼器联合作用的减震方案是可行的。