基于粘滞阻尼器加固的RC框架结构的抗震性能研究

刘 星，周雪峰，王亚楠

(西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021)

基于粘滞阻尼器加固的RC框架结构的抗震性能研究

刘 星，周雪峰，王亚楠

(西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021)

本文建立了5层RC框架结构模型，选取5条典型地震波和2条人工波，对其进行抗震性能分析，随后分别对2层、4层增设了粘滞阻尼器和1层、3层、5层增设粘滞性阻尼器的RC框架结构在同样地震记录下进行抗震性能分析，比较他们之间的加速度响应、层间位移、最大层位移以及结构的损伤发展过程。分析表明：5层RC框架结构配置了粘滞阻尼器后，地震加速度响应、层间位移以及各层最大位移都明显减小，粘滞阻尼器达到有效地减震效果。对于多层RC框架结构，阻尼器应当避免从底层配置才能达到最优的控震效果。

框架结构；粘滞阻尼器；抗震性能

RC框架结构因其具有结构空间布置自由且造价合理的特点而在我国建筑工程中被广泛使用，但其在地震作用下的抗震性能却一直饱受争议，特别是强震作用下，RC框架结构未能抵抗地震破坏的例子不在少数，这个现象引起了众学者的广泛关注。如何提高框架结构的抗震性能，特别是对于现存的框架结构如何合理加固己成为学者们研究的重要方向。

近年来，国内外相关研究者对此问题积极地开展了研究，Dönmez C[1]研究了土耳其地震中框架结构的抗震性能，研究表明，梁端部区域和梁柱连接处时常不能达到规范所要求的延性；Ergund S[2]研究了滞回模型对于提高非规则钢筋混凝土框架结构变形性能的有效性，证实了根据钢筋混凝土结构采用适当的滞回模型将取得积极的效果；Wang D[3]研究了框架结构的加固方法，此方法能有效提高框架结构的抗震性能，减少其框架结构潜在的震损风险；Lin K[4]的研究表明，框架结构抗连续倒塌设计可能导致其在地震作用下发生强梁弱柱的危险；胡义[5]在其研究中提出了地震激励下在役 RC 框架结构抗倒塌能力定量化评价方法；王永贵[6]研究了罕遇地震作用下屈曲约束支撑框架结构的响应，倒V较单斜布置更能有效降低底层剪力和降低层间位移角，从而降低结构的地震响应，更有利于结构消能减震；閤东东[7]对某钢筋混凝土框架结构采用4组不同本构关系的计算结果进行了详细比较，结果表明：不同材料模型得到的倒塌初始状态及初步发展趋势是一致的；王凤华[8]研究了新型SMA阻尼器的单层框架结构地震响应控制，结果表明：新型SMA阻尼器可以有效减小结构的地震响应；王振兴[9]研究了粘弹性阻尼器对框架结构地震响应的影响分析，研究结果表明：粘弹性阻尼器可以增加结构的阻尼，抑制结构的振动；李忠献[10]对钢筋混凝土框架结构地震失效模式的优化进行了研究，结果表明：最优结构损伤集中得到有效的控制，结构各层损伤分布更加均匀，结构整体损伤减小，结构的抗震性能得到明显提高；施炜[11]研究了不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力，结果表明：按我国抗震规范设计的框架结构在大震作用下基本能够满足抗倒塌要求，但在遭遇特大地震时，7度设防框架的抗倒塌能力明显存在不足。

综上所述，国内外研究者都认为RC框架结构在地震作用下是不安全的，因此，提高其抗震性能具有积极的现实意义，特别是针对现存框架结构的加固方法的研究颇多，其中采用不同阻尼器减小RC框架结构的地震响应受到广泛关注，但目前的研究多针对单层或者高层，而对多层涉及较少，因此，本文将针对多层RC框架结构进行相关分析，研究粘滞阻尼器的最优布置原则从而达到最佳减震控制效果。

1 结构模型的建立

本文选用某体型规则的5层钢筋混凝土框架结构作为研究对象。其中，各楼层层高均为3.3 m，房屋总高度为16.5 m；场地类别Ⅱ类，抗震设防烈度为8度0.2 g，结构的抗震设防类别为丙类；梁截面尺寸为250 mm×250 mm，柱截面尺寸为600 mm×600 mm，板厚100 mm；梁、柱材料均采用C30混凝土，纵向受力钢筋选用HRB400，箍筋选用HPB300；分析时板面恒荷载取5 kN/m2(包含楼板自重)，活荷载取2 kN/m2，建立的模型如图1所示。

图1 RC框架结构分析模型

所建模型的前6阶振型及其周期如表1所示，其中第1阶周期是平动周期为0.348，第3阶是扭转周期为0.299，平动周期与扭转周期之比小于0.9，满足现行抗震设计规范的要求，由此可见，本文建立的分析模型是规则合理的。

2 地震记录的选取

根据建筑场地类别和设计地震分组从某强震数据库中选取5组实震记录并合成2组人工模拟加速度时程曲线，即实震记录RSN7-045、RSN9-000、RSN123-000、RSN188-135和RSN51-155、以及人工波SYS01和SYS02，多组时程波的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的对比结果如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，多组时程波的平均地震影响系数曲线在自振周期0.4 s～1.0 s的范围内，与规范谱吻合较好。根据对模型的模态分析，得到模型的前三阶自振周期为0.348 s、0.308 s和0.299 s，在结构主要振型的自振周期点上，平均地震影响系数曲线与规范谱值相差在20%范围以内，并且实测强震记录的数量不少于2/3，所以，本文所选地震波符合规范的相关要求。

表1 结构动力特性

本文所选5条强震记录的相关信息如表2所示，两条人工波峰值加速度分别为0.066 1 g和0.079 0 g。

图2 加速度反应谱对比图 图3 局部放大图

编号地震记录名称分量年份震级峰值加速度PGA/g5%～95%持时/sRSN7-045NorthwestCalif-02FRN04519416.60.063122.2RSN9-000BorregoELC00019426.50.065937.2RSN123-000Friuli_Italy-01CLV00019766.50.049519.1RSN188-135ImperialValley-06PLS13520106.530.057710.8RSN51-155SanFernandoPVE15519716.610.041554.2

3 RC框架结构抗震性能分析

为了得到普遍适用的分析结果，输入以上所选取的地震加速度，对5层钢筋混凝土框架结构进行动力时程分析，计算其地震响应。在此只列出在RSN188-135地震记录作用下，RC框架结构模型各楼层加速度时程图，如图4所示。

图4 各楼层加速度响应

在输入地震作用下，RC框架结构模型各楼层最大位移如图5所示，各层层间位移如图6所示。由图5可知，钢筋混凝土框架结构的层位移逐层增加，在5层时达到最大值，达到609.77 mm。从图6可知，层间位移除了第5层层间位移2.843 mm以外，其它楼层层间位移均大于规范规定对应3.3 m层高所要求的钢筋混凝土框架结构的弹性层间位移为6 mm的规定，不满足规范要求。

通过对钢筋和混凝土这两种材料的损伤状态进行定义和标识，探讨了RC框架结构在地震作用下的损伤分布和发展过程，分别定义了材料的破坏准则，混凝土DL阶段(εc=0.002 0)；混凝土SD阶段(εc=0.003 3)；钢筋DL阶段(εs=0.002 0)；钢筋SD阶段(εs=0.008 0)在RSN9-000作用下，RC框架结构随时间推移的损伤发展过程，结构先从1层边柱破坏，然后破坏向中间柱延伸，随之2层和3层的柱子发生破坏，出现红色警示，最后1层、2层和3层大部分柱梁失去承载能力，结构完全破坏，失去承载能力。

图5 各楼层最大位移 图6 各层层间位移

4 附加粘滞性阻尼器的RC框架结构抗震分析

本文基于当前阻尼器的研究基础，重点研究耗能装置的不同布置对钢筋混凝土框架结构减震效果的不同影响。根据阻尼器布置原则，应将耗能阻尼器布置在变形较大的楼层，研究的两种不同粘弹性阻尼器布置方案。其中工况1，在2、4层布置粘滞性阻尼器。工况2，在1、3、5层布置粘滞性阻尼器。

在所选地震记录作用下，分析对比工况1与工况2的减震效果，从而得到最优布置方式。以下研究结果以RSN188-135作用下结构的地震反应为例做相关分析。各楼层加速度响应图如图7所示。各层层间位移如图8所示。各层最大位移如图9所示。当RC框架结构配置了粘滞性阻尼器后，结构的地震响应减轻，各楼层加速度，层间位移和层最大位移都相应减小，说明阻尼器提高了框架结构的抗震性能。

为进一步分析比较工况1与工况2，得到最优配置方案，分别探讨分析工况1与工况2在地震作用下的损伤分布和发展过程。在RSN9-000地震作用下，将工况1随时间推移的损伤发展过程与工况2随时间推移的损伤发展过程对比分析。工况1在地震作用下的破坏仅仅损伤了几根一层边柱，而工况2随着地震作用的时间推移，2层大部分柱子都出现混凝土SD破坏标记，使得结构处于危险状态，因此，工况1较工况2有更好的减震效果。

图7 各楼层加速度响应图 图8 各层层间位移

图9 各层最大位移

5 结 语

通过对RC框架结构抗震性能的分析，以及对采取不同粘滞性阻尼器配置方案的框架结构进行抗震性能分析，重点探讨比较各结构地震响应以及各结构的损伤发展过程，所得主要结论如下：

(1)5层RC框架结构配置了粘滞阻尼器后，地震加速度响应，层间位移以及各层最大位移都明显减小，粘滞阻尼器达到有效的减震效果。

(2)通过把粘滞阻尼器配置于结构的不同位置进行分析得出，对于多层框架结构，阻尼器应当避免从底层配置，这样才能达到最优的控震效果。该结论可为粘滞阻尼器在实际结构抗震中的实际应用和设计提供借鉴。

[1] Dönmez C. Seismic Performance of Wide-Beam Infill-Joist Block RC Frames in Turkey[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2015,29(1):258-272.

[2] Ergun S, Demir A. Effect of Hysteretic Models on Seismic Behavior of Existing RC Structures[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2015,29(6):382-392.

[3] Wang D,Wang Z,Yu T,et al. Shake Table Tests of Large-Scale Substandard RC Frames Retrofitted with CFRP Wraps before Earthquakes[J].Journal of Composites for Construction,2017,21(1):128-143.

[4] Lin K,Li Y,Lu X,et al.Effects of Seismic and Progressive Collapse Designs on the Vulnerability of RC Frame Structures[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2017,31(1):55-80.

[5] 胡义.地震激励下在役RC框架结构力学行为研究[D].西安：西安建筑科技大学,2013:30-60.

[6] 王永贵,牛海成,谢晓杰.罕遇地震下的屈曲约束支撑框架结构的动力响应研究1[J].震灾防御技术,2016,11(3):528-541.

[7] 閤东东,万金国,周忠发,等.地震作用下框架结构连续倒塌模拟比较研究[J].建筑结构,2014(14):81-85.

[8] 王风华,黄襄云,王伟明.应用新型SMA阻尼器的单层框架结构地震响应控制[J].工程抗震与加固改造,2015,37(3):10-14.

[9] 王振兴,韩亚强.粘弹性阻尼器对框架结构地震响应的影响分析[J].河北工程大学学报 (自然科学版),2009,26(1):34-36.

[10] 李忠献,王虹,吕杨,等.钢筋混凝土框架结构地震失效模式优化[J].天津大学学报自然科学与工程技术版,2014,47(4):364-370.

[11] 施炜,叶列平,陆新征,等.不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究[J].工程力学,2011,28(3):41-48.

[12] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社,1997:120-160.

[13] 建筑抗震设计规范:GB50011-2010[M].北京：中国建筑工业出版社,2010:149-160.

Study on Seismic Behavior of RC Frame Structures Reinforced by Viscous Dampers

LIU Xing, ZHOU Xuefeng, WANG Yanan

(Xi′an Technological University, Xi′an 710021, China)

In this paper, a 5-story RC frame structure model is established, and five typical ground motion and two artificial ground motion are selected to analyze the seismic performance of RC frame structure. Then, the viscous dampers are installed in floors of RC frame structure. It is analyzed under the same ground motion, and the acceleration response, the inter-layer displacement, the maximum displacement and the damage development process are compared. The results show that the 5-story RC frame structure After installed the viscous dampers, the seismic acceleration response, the inter-layer displacement, and the maximum displacement of the layers are significantly reduced. The viscous dampers achieve effective damping effect. So far the multi-layer RC frame structure is concerned, the damper should avoid to be installed in the first floor, so that optimal control effect can be achieved. This conclusion can provide reference for the practical application and design of viscous dampers in actual RC frame structure.

frame structure; viscous dampers; seismic performance

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.008

TU352

A

1674-5403(2017)04-0032-05

2017-09-20

刘星(1991-)，男，四川成都人，在读硕士研究生，主要从事结构优化设计方面的研究.