粘滞阻尼器对高层框架剪力墙结构的减震作用分析

孙沙沙

(安徽建筑大学土木工程学院， 安徽　合肥　230601)



粘滞阻尼器对高层框架剪力墙结构的减震作用分析

孙沙沙

(安徽建筑大学土木工程学院， 安徽合肥230601)

粘滞阻尼器可有效减少建筑结构在地震作用下的动力响应.高层框架剪力墙结构以其特有的使用空间灵活的优点被广泛采用.文章运用大型有限元分析软件SAP2000，通过动力时程分析方法，对比分析设有粘滞阻尼器和未设有粘滞阻尼器的两种高层框架剪力墙结构的减震控制结果，分别计算其层间位移角、速度、位移和顶层加速度.笔者认为，粘滞阻尼器的设置对高层建筑物可以起到耗能减震作用.

粘滞阻尼器；耗能减震；有限元软件SAP2000；动力时程分析

目前，土地资源的需求越来越大，为节约土地，出现了大量高层建筑.框架剪力墙结构是高层住宅采用较为普遍的结构形式，它是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，在框架结构中布置一定数量的剪力墙，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的需求.隔震技术近年来发展比较成熟，工程建筑中应用广泛，理论研究也比较完善，但这种技术在高层或超高层结构中应用效果不是很理想.耗能减震技术通过附设抗震装置方式使结构具有足够的附加阻尼，以满足地震下预期的结构位移要求[1-2]，同时可减少结构水平和竖向的地震作用，适用范围较广，结构类型和高度也不受限制，能够降低地震对结构本身的影响，提高了框架结构的抗震性能,确保了结构的安全[3-4].因此，耗能减震技术在我国实际工程中开始应用,其中粘滞阻尼器耗能减震技术得到越来越多的应用.主要原因是粘滞阻尼器减震技术减震效果显著、构造不复杂,同时适用范围广.本文以一15层高层框架剪力墙结构为例(如图1所示)，采用动力时程分析法进行有限元数值模拟求解，对普通钢筋混凝土框架剪力墙结构和附设粘滞阻尼装置的钢筋混凝土框架剪力墙结构进行地震作用下的模拟分析,评估其抗震性能[5-6].

图1　15层建筑三维简图

1　理论模型及运动方程

1.1微分方程的建立

进行结构动力分析时把多自由度体系转化为一个近似悬臂梁的串联质点系模型[7].

运动微分方程为[8]:

(1)

1.2微分方程求解

忽略非线性单元时，为了避免计算机模型因此可能造成的不稳定性，一般是在方程中加入刚度为任意值的“有效弹性单元”[9].通过在方程左右两边均添加Kex(t)，(1)式可改写为：

=R(t)-RNL(t)+Kex(t)

(2)

上式中，Ke为任意数值有效刚度.于是方程(2)可改写成下列形式：

(3)

(4)

上式中，Ω2是对角矩阵，I为单位矩阵.假定(3)式解的表示形式为：

(5)

公式(5)为耦合方程，将其代入公式(3)中，并将左右两边同乘ΦT可得：

(6)

其中，F(t)为非线性模态荷载.

(7)

将公式(7)简化写成分量形式，省略下标得到：

(8)

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公式(8)的求解如下：在i-1到i的Δt时间间隔内，即在较小时间增量内采用三次荷载及线性函数逼近，可得微分方程：

(9)

方程(9)由通解和特解两部分构成，可解得：

(10)

上式中：b1,b2,b3,b4,b5,b6分别为常数.为了书写简便，我们令：

C(t)=e-ξatcos(ω0t),

(11)

将(11)式代入(10)式中可得：

y(t)=b1S(t)+b2C(t)+b3+b4t+b5t2+b6t3

(12)

通过对公式(12)进行一、二阶求导得到：

=D(t)b

(13)

其中，b=(b1,…,b6)T.把求解结果(13)式带回(9)式中，采用待定系数法，根据初始条件ρs和y(0)=yi-1,得到：

(14)

其矩阵表达式为：

(15)

综合分析(13)式和(15)式，可得到一个迭代公式：

(16)

2　算例

2.1结构概况

采用一15层的高层建筑为算例，结构高50.4 m，长度是30 m，宽度为16.2 m.建筑结构抗震设防烈度为8度,场地类别为Ⅱ类，基本特征周期为0.4 s，基本地震加速度为0.2g.第一层层高为4.2m,上面各层层高为3.3m.框架柱截面尺寸为400mm×400mm，梁柱受力钢筋采用HRB400级钢筋，板中受力钢筋采用HRB335级钢筋.框架梁、柱采用混凝土等级为C40,楼板用混凝土等级为C30.

图2　结构平面布置图

2.2粘滞阻尼器布置图

文中采用弹簧-阻尼器单元COMBIN14作为粘滞阻尼器，各个楼层对称布置，每层6个，其基本参数如表1.

表1　阻尼器基本参数

图3　阻尼器平面布置图

2.3计算结果

根据地震波选取条件，本文选择两组天然地震波，El-Centro地震波和TAFT地震波.通过SAP2000建立模型，分别比较未设有和设有粘滞阻尼器的高层框架剪力墙结构的层间位移角、速度、位移和顶层加速度等特性.

图4　EL-Centro波作用下楼层速度最大值

图5　Taft波作用下楼层速度最大值

图6　EL-Centro波作用下楼层加速度最大值

图7　Taft波作用下楼层加速度最大值

图8　EL-Centro波作用下楼层位移最大值

图9　Taft波作用下楼层位移最大值

2.4结果分析

(1)对比图4、图5，粘滞阻尼器的设置对楼层速度的减少有显著作用，EL-Centro地震波下楼层速度减少幅值为10.84﹪～41.03﹪.Taft地震波下楼层速度减少范围为10.56﹪～25.87﹪.粘滞阻尼器作用下EL-Centro地震波对降低层间速度的作用更明显.从上部楼层开始，控制层间速度变化趋势逐渐增大.

(2)对比图6、图7，楼层低时，结构在EL-Centro地震波下加速度动力响应衰减显著，且加速度衰减速度较为均匀；Taft地震波作用下加速度降低幅值较为跳跃，中间层加速度有增大，最高增加幅值达到10.42﹪，是地震能量在结构中聚集累加的原因.在楼层中间部位，两种地震波耗能差距明显，上部楼层开始两种地震波对结构加速度影响程度较为接近.

(3)对比图8、图9，EL-Centro地震波下楼层位移减小最大幅值为42.74﹪，而Taft地震波下楼层位移最大减小幅值为61.37﹪，从首层到最高层，减小幅值逐渐增大.对每一层来说，Taft地震波对楼层位移的耗能控制都要比EL-Centro地震波显著.在中间层时，粘滞阻尼器的设置对楼层位移的削减作用最明显.从中间层往上降低数值有限，对位移变化基本无影响.

(4)表2中，在EL-Centro地震波作用下层间位移角最大减小值为48.87﹪，Taft地震波下最大减小值为63.44﹪.中间楼层时层间位移角变化幅度较为均匀，是因为粘滞阻尼器改变了结构的刚度分布，层间位移角的大小合乎规范要求.因此，粘滞阻尼器的设置对结构的层间变形有削减作用.

表2　层间位移角的最大值

3　结论

粘滞阻尼器的设置对楼层速度、加速度、位移以及位移角均有削弱作用，起到了耗能减震的作用，提高了结构的安全系数.对楼层速度与楼层加速度来说，EL-Centro地震波对降低层间速度的作用更明显，对楼层加速度的削弱更稳定安全.对楼层位移来说，Taft地震波对楼层位移的耗能控制作用比EL-Centro地震波显著.对层间位移角来说，两种地震波的影响差异不大，均能对层间变形有减弱作用.

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(责任编辑穆刚)

Damping effect analysis of viscous damper on high-rise frame shear wall structure

SUN Shasha

(School of Civil Engineering, Anhui University of Architecture And Civil Engineering, Hefei Anhui 230601，China)

Viscous dampers can effectively reduce the dynamic response of building structures under earthquake action. High-rise frame shear wall structure with the advantage of its unique use of space flexible is widely used. By using the large-scale finite element analysis software, the dynamic time history analysis method, comparative analysis with viscous damper and a viscous damper of two high-rise frame shear wall structure damping control results, the interlayer displacement angle, velocity, displacement and acceleration of the top were calculated. It is concluded that viscous damper settings does have the effect of energy dissipation on the tall building.

viscous damper; energy dissipation; finite element software SAP2000; dynamic time history analysis

2016-04-10

孙沙沙(1991-)，女，安徽宿州人，硕士研究生，主要从事工程结构抗震理论与应用方面的研究.

TU352.1

A

1673-8004(2016)05-0060-05