高烈度区弹塑性软钢阻尼墙的减震设计研究

李文化

(浙江东都建筑设计研究院，浙江杭州 310007)

在地震高烈度区建造高层建筑采用传统抗震设计方法难度较大，结构主要构件截面过大、配筋过多，材料花费较多，工程造价大幅度提高，而且由于需要布置较多的抗震墙使得建筑物的使用功能受到限制，另外结构构件截面、配筋增大后，结构刚度将大幅度增加，结构在地震中吸收的地震能量也将大幅度增加，这些地震能量将主要由结构构件的弹塑性变形来耗散，导致结构在大震中损坏严重，对结构的安全不利。以既定的“设防烈度”作为设计依据，当发生超烈度地震时，房屋可能会严重破坏，并且由于地震的随机性，建筑结构的破损程度及倒塌可能性难以控制［1-3］。基于以上传统抗震设计方法的不利因素，减震技术逐渐在高烈度区建造高层建筑中被推广和应用，并取得了较好的技术和经济效应。

地震发生时结构物吸收了大量的地震能量，必然要进行能量转换或消耗才能最后终止振动反应。结构消能减震体系，就是把结构物的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成消能构件，或在结构的某些部位(层间空间、节点、联结缝等)装设消能装置［4，5］。在风或小地震时，这些消能构件或者消能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构物仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当发生中、强地震时，随着结构侧向变形的增大，消能构件或消能装置率先进入非弹性状态，提供较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，从而保护主体结构及构件在强震中免遭严重破坏，确保结构安全。由于消能部件给结构附加了阻尼，所以结构的等效阻尼比会增加，图1绘出了《建筑抗震设计规范》规定的不同阻尼比情况下的地震影响系数曲线，图中显示随着阻尼比的增大，地震影响系数曲线下降，结构地震作用下降。

图1 地震影响系数曲线

对于减震结构，新规范只有如下的原则规定:“采用减震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区的多遇地震影响、抗震设防烈度地震影响和罕遇地震影响时，其抗震设防目标应高于本规范第1.0.1条的规定”［6］。这里明确了消能减震建筑的抗震设防目标应高于一般依靠自身强度及变形能力(延性)来抗御地震的建筑的抗震设防目标，但未具体明确不同情况下消能减震结构的抗震设防目标。因而，要依据这一规定来进行抗震设计尚有困难。在设计中建议采用这样的设防目标:由于不同原因导致结构在多遇地震下尚不能满足规范要求，或需采取明显不合理的过分加强措施才能满足规范要求，或需采取减震措施才能满足实际工程和建筑要求时，可采用阻尼器减震。此时，其抗震设防目标可与现行《建筑抗震设计规范》相同。

1 弹塑性阻尼墙

弹塑性阻尼墙较一般的阻尼元件具有更大的耗能能力，且弹塑性阻尼墙厚度小，布置不需要占用整个开间，所以更适合用于建筑结构中。弹塑性阻尼墙具有以下主要特点:对风致振动和地震作用，均可获得良好的减震效果;可依据建筑规模及减震要求，自由设计阻尼墙参数;产品可设置在墙壁内，不影响建筑使用功能。弹塑性阻尼器是利用软钢作为能量吸收材料的阻尼器，可根据能量吸收用钢材的屈服机制进行分类。采用阻尼墙的主要形式有:轴向屈服型中的软钢沿构件长度方向设置，产生轴向变形并屈服，其形态类似于支撑;剪切屈服型中的软钢按平板设置，产生平面内剪切变形变屈服，其形态类似于腹板。以形成产品的代表性弹塑性阻尼墙有:支撑型、剪切连接型、墙型、中间柱型，如图2所示。本工程考虑建筑的使用功能，使用中间柱型的弹塑性阻尼墙。弹塑性阻尼墙利用软钢作为能量吸收材料，利用钢材的屈服即塑性变形吸收振动能量。弹塑性阻尼墙的阻尼力主要由软钢的塑性应变量，即塑性位移所决定，故属于位移相关型阻尼器。由于钢材屈服点的偏差对阻尼墙性能造成很大影响，同时其受拉性能等力学特性尤为重要等原因，需要开发出专门钢材作为阻尼墙能量吸收的材料。如图3所示，软钢在不发生屈曲或破坏时描绘出纺锤形的稳定滞回环，具有良好的能量吸收能力。其恢复力主要与位移的大小相关。软钢用作阻尼器正是基于这样的特性。

本论文的研究采用中间柱型弹塑性阻尼墙要得到稳定的纺锤形滞回环，这种阻尼墙在分析中需要注意以下的适用条件:当钢板发生剪切屈曲时，在反复荷载作用下在剪切位移角为0的附近，由于张力场方向的逆转导致屈曲波形的凹凸反转，出现瞬时承载力降低的褶皱现象，此时不能得到稳定的纺锤形滞回环。为防止这样的褶皱现象必须采用加劲肋防止钢板的屈曲;阻尼墙由于受压侧的截面膨胀，导致阻尼墙与防屈曲构件之间产生挤压使应变变的极大，此时承载力的提高导致滞回环不对称，阻尼墙部分应具有适当的长度以保证其应变不致过大;弹塑性阻尼墙通过滞回环吸收能量最终因疲劳而导致破坏，弹塑性阻尼墙的低周疲劳设计曲线对判断阻尼墙的极限强度十分有用;低屈服点钢即使在多遇地震荷载输入作用下其性能也受应变速度的影响。

图2 弹塑性阻尼器的种类

图3 弹塑性阻尼墙滞回曲线图

在进行结构振动反应分析时，弹塑性阻尼墙的荷载—变形关系大都可仿照传统钢结构的双线性滞回模型进行近似处理。因此，弹塑性阻尼墙的基本阻尼特性可以用双线性模型模拟其静力或动力荷载下的荷载—变形关系，模型参数可采用图4所示基准值。基准值的定义方法可利用图5所示的基于阻尼墙静力或动力试验得到的荷载—变形关系，根据其滞回能量吸收与试验值大致等效的条件定义各基准值。

图4 弹塑性阻尼墙的基本性能基准值

本工程使用Wen滞回模型模拟弹塑性阻尼墙的基本阻尼特性，Wen滞回模型如图5所示。其恢复力f可用下式表示:f=ratio·KdK+(1－ratio)Fdy·z。其中，K为弹性刚度;Fdy为屈服强度;ratio为屈服后的第二刚度与屈服前的弹性刚度的比值;z为恢复力模型的内部参数，而且:|z|≤1。屈服面上，|z|=1，z的初值为0，满足:exp为屈服指数，是大于1的数，当exp的值较大时，Wen滞回模型即为双曲线模型。因此，可以通过弹塑性阻尼墙的基准值计算出Wen模型需要的各个参数的值。

图5 Wen滞回模型

2 基于弹塑性软钢阻尼墙的减震分析

以8度0.3g地区完成的某高层建筑为例研究弹塑性软钢阻尼墙的减震设计方法。建立可靠的分析模型是进行结构静、动力分析的基础，可靠的分析模型首先应该能够真实地反映出结构的动力特性，并且能够比较准确地分析结构在弹性和弹塑性阶段的动力响应。用大型商业有限元软件ETABS建立了某高层建筑的减震结构和非减震结构的三维有限元模型。我国建筑抗震设计地震动的选用标准主要按建筑场地类别和设计地震分组，选用和设计反应谱影响系数曲线具有统计意义的不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。依照抗震规范要求，分析选用了6条天然地震动和2条人工地震动。从结构动力响应的角度分析所选用的地震动，我国GB 50011-2001建筑抗震设计规范明确规定，在弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均超过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均大于振型分解反应谱法计算结果的80%。表1给出了X向非减震结构时程和反应谱楼层地震剪力对比结果，图6给出了相应的对比曲线图。

表1 X向非减震结构时程和反应谱楼层地震剪力对比 kN

图6 X，Y向非减震结构时程和反应谱楼层地震剪力对比

减震目标的确定在结构减震设计中十分重要，它是减震效果和经济性的一个平衡点，所确定的减震目标既要求减震系统能够达到常规设计提出的要求，又不能过多配置造价相对较高的消能元件，减震分析的流程如图7所示。

在结构中合理布置阻尼墙是在给定配置数量条件下达到减震效果的有效途径。在阻尼墙的布置中除了要遵循“大分散，小集中”的原则，还要考虑到建筑物本身的一些特点。通过阻尼墙数量、位置的多轮时程分析、优化调整后，确定了最终减震方案。本工程在塔楼部分X向布置16片阻尼墙，Y向布置40片阻尼墙。弹塑性阻尼墙的基本阻尼特性可以用双线性模型模拟其静力或动力荷载下的荷载—变形关系，阻尼墙模型参数基准值如表2所示。

表2 本工程阻尼墙模型参数的基准值

图7 弹塑性软钢阻尼墙的减震设计流程图

表3 罕遇地震作用下的阻尼墙最大位移 mm

图8 减震结构多遇地震下楼层最大地震剪力和层间位移角

利用快速非线性分析方法(FNA)对设置弹塑性软钢阻尼墙的消能减震系统进行8度多遇地震下(110gal)的地震响应分析。快速非线性分析方法是Edward L.Wilson提出的，这种方法十分适合对配置有限数量非线性单元的结构进行非线性动力分析。图8给出了结构减震后的地震剪力和层间位移角，对比图6可以看出减震后结构的地震剪力有所降低，最大层间位移角由不减震的1/718达到了1/835，满足了规范的要求。对减震体系进行了罕遇地震作用下的响应分析，表3给出了罕遇地震作用下弹塑性阻尼墙的X向和Y向中弹塑性阻尼墙最大位移，要求厂商提供的阻尼墙的极限位移必须大于表3的最大位移。

滞回曲线反映了结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗，是进行非线性地震反应分析的依据。图9给出了典型位置的阻尼墙在罕遇地震下的滞回曲线。

图9 罕遇地震作用下的阻尼墙滞回耗能曲线

弹塑性阻尼墙与主结构的连接方法与一般钢结构构件大致相同，考虑到特殊情况下构件更换的可能性，最常采用的是高强螺栓连接。考虑到本工程位于高烈度区，建议采用高强螺栓连接，与弹塑性阻尼墙连接的混凝土梁设计为型钢梁，以方便高强螺栓的连接。

3 结语

通过研究弹塑性阻尼墙在高烈度区高层建筑的减震分析和设计，可以得到以下主要结论:弹塑性软钢阻尼墙可以为建筑结构提供附加的阻尼比，从而减小结构的地震作用;减震结构在8度多遇地震作用下最大楼层地震剪力分布合理，两个方向的最大层间位移角均小于1/800，满足我国《建筑抗震设计规范》不大于1/800的要求，减震结构具有较好的抗震性能;减震结构在8度罕遇地震作用下软钢阻尼墙的滞回曲线更加饱满，减震效果更加明显，其最大位移为产品的设计提供了重要设计参数。本研究为高烈度区建造高层建筑提供了新的设计方法和思路，也为高烈度区的减震设计的推广和应用提供了一定的理论依据。

［1］王志华，王 昱.简述建筑结构抗震设计的必要性［J］.林业科技情报，1995(4)：108-109.

［2］王亚勇.汶川地震建筑震害启示——抗震概念设计［J］.建筑结构学报，2008(4)：121-122.

［3］叶列平，曲 哲，陆新征，等.提高建筑结构抗地震倒塌能力的设计思想与方法［J］.建筑结构学报，2008(4)：93-94.

［4］周福霖.工程结构减震控制［M］.北京：地震出版社，1997.

［5］Housner G W，Bergman L A，Caughey T K.Structural Control：Past，Present，and Future［J］.Journal of Structural Mechanics，ASCE，1997，123(9)：897-943.

［6］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.