附加金属阻尼器对钢框架结构减震性能研究

马千兴,李 琳,裴星洙

(吉林职业技术学院,吉林 延边 133400)

1 概述

地震灾害带来的危害是非常严重的,20世纪70年代初,自美国学者Kelly提出在建筑结构中安装阻尼器抗震的理念后,消能减震技术在理论分析、设计计算以及施工应用等方面均得到了飞速发展。

消能减震阻尼器分为位移相关型、速度相关型以及其他类型。其中,金属阻尼器是将软钢或铅作为耗能材料,利用其屈服强度低、延性较好的特点来设计的位移相关型阻尼器。与建筑主体结构相比,金属阻尼器能够更早进入屈服状态,从而可利用金属阻尼器屈服后的累积塑性变形来达到耗散地震能量的效果。

本文以10层钢框架结构为算例模型,采用自编程序,利用时程分析法,考查附加阻尼器前后的地震响应,得出一些有益结果。

2 算例模型

某10层钢框架结构,首层层高为4.8 m,其余各层为3.9 m,结构高度为83.1 m;结构平面长度为55.2 m,平面宽度为34.2 m,高宽比为1.51。假设质量均匀分布,其大小为800 kg/m2。

结构平面布置如图1所示。

3 确定算例模型刚度

根据《建筑结构荷载规范》[1]附录F.2.1节,钢框架结构的基本自振周期公式为T1=(0.10-0.15)n,n为建筑总层数。故算例模型基本自振目标周期取T1=1.5 s。

瑞雷提出的计算结构周期公式[2]为:

(1)

其中,mi为结构第i层质量;Fi为作用在第i层的水平地震作用;ui为水平地震作用产生的第i层的水平位移。

已知各层质量和结构第一自振目标周期,计算算例模型各层刚度步骤如下:

1)设定沿结构高度方向的抗侧刚度分布系数λi:

本文设定框架结构各层抗侧刚度分布系数λi随层高呈正梯形分布且顶层与底层抗侧刚度比值为λ10/λ1=0.3,见表1。

表1 各种参数汇总表

2)计算作用在结构各层的地震剪力Qi:

假设地震剪力沿结构高度方向按照Ai分布,即:

Qi=Ai·Wi

(2)

(3)

(4)

其中,Qi为作用在第i层的水平地震剪力;Ai为层剪力分布系数;Wi为第i层以上的重量之和;ai为第i层以上的质量之和与全部质量之比;T1为目标周期。

3)基于各层在水平方向上力的平衡条件,计算各层水平地震作用Fi。

Fn=Qn(顶层)；

Fi=Qi-Fi+1(除顶层外的各层)。

4)利用式(5)计算结构第i层的相对侧向位移Δui;利用式(6)计算第i层的绝对侧向位移ui;利用式(1)求出周期T′。

(5)

(6)

通过不断调整抗侧刚度ki,使得T′的值逐渐接近目标周期T1。

在Excel表格上可以进行收敛计算。其计算结果见表1。

4 多自由度体系地震反应时程分析

多自由度质点系振动微分方程为:

(7)

5 计算结果

图2表示无附加阻尼器与附加阻尼器的结构上作用多遇地震和罕遇地震时的层间角和层间位移角限值。《建筑抗震设计规范》[3]中指出,高层钢结构进行多遇地震抗震变形验算时,弹性层间位移角限值为[1/250];罕遇地震弹塑性层间位移角限值为[1/50]。从图2中可以看出,结构的弹性层间位移角和弹塑性层间位移角均小于其对应限值,故说明本文的算例模型具有实际工程结构的普遍性。

图3为多遇和罕遇地震作用下的各质点的最大位移;图4为多遇和罕遇地震作用下的各质点的最大层间位移。从图3，图4中可知,算例结构在附加金属阻尼器后能够有效的减小最大位移,且在罕遇地震作用下其效果更为明显。

图5表示多遇地震和罕遇地震作用下地震动输入给结构的能量,从图中可以看出,附加阻尼器后的输入能量比附加阻尼前的输入能量大。

图6，图7分别为多遇和罕遇地震作用下,第9层层剪力-层位移滞回曲线。从图6，图7可知,屈服位移、第一弹性刚度、第二屈服位移均符合开始设定的初始值,有力支撑本文研究结构的可靠性。

6 结语

本文研究了10层无附加金属阻尼器与附加金属阻尼器的钢框架结构在多遇地震和罕遇地震作用下的地震响应分析,得到一些有益结果。

1)设定质量和结构自振目标周期以后,计算每层抗侧刚度的方法是可行的。

2)结构在附加金属阻尼器后能够有效的减小最大位移,且在罕遇地震作用下其效果更为明显。

3)附加阻尼器后的输入能量比附加阻尼前的输入能量大。