消能减震结构设计中软钢阻尼墙的有效运用分析

吴爱武 陈朝晖

摘要：针对高烈度区所制定的高层建筑结构方案的好坏，往往会对建筑功能的可行性、实用性造成直接影响，通常需要采取一定程度的消能减震措施，可以实现结构构件布置及尺寸的合理优化。针对消能减震设计方法来讲，其就是把传统形式的延性抗震设计向经阻尼耗能而达到减震目的进行转变，通过根据实际需要，附加实用的阻尼装置，以此来整个结构在经济性及抗震性能方面，均能够配置效能的最佳化。本文结合工程实例，探讨软钢阻尼墙在高烈度区工程中的应用，在减震前后地震作用下，就结构的反应特性进行比较，对软钢阻尼墙的实际减震效果进行验证，从中挖掘与剖析效能减震设计的具体方法与思路，望能为此领域应用研究有所借鉴。

关键词：消能减震结构；软钢阻尼墙；应用

1、工程概述

某工程运用的是典型的框架核心筒结构体系，地上建筑共有20层，第一层的楼层高度为5.6m，而2～5层的楼层高度为5.1m，6层的楼层高度为4.7m，7～20层的楼层高度为3.5m，整个建筑主体的楼层总高度为79.94m；地下共有两层，将地下室顶板当作嵌固端。此工程实为常规高度的高层建筑，其抗震设防的基本参数为设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.30g，设计地震为第三组，建筑场地为Ⅱ类，特征周期0.45；水平地震影响系数最大值罕遇地震、多遇地震分别为1.20、0.24。一级抗震等级，用Perfom-3D开展消能减震结构与常规结构之间的对比与分析，用ETABS Nonlinear开展模型验证与小震时程分析，用SATWE开展常规分析设计。

2、消能减震结构方法的基本优选

针对结构抗震来讲，其经历了不同发展阶段，比如延性结构体系、柔性结构体系及刚性结构体系等。针对延性设计方法来讲，其主要是通过对结构的刚度及延性进行适当性控制，来最大程度的提升抗震能力，真正意义上做到大震不倒、中震可修及小震不坏的基本要求。针对比较常用的延性抗震设计方法而言，现阶段，其在诸多情况下均较为有效，但从总体上来讲，其也存在一些突出问题：其一，安全性无法得到切实保障，将既定的“设防烈度”当作设计的基本依据，如果所发生的地震超过设防烈度时，受此影响，房屋可能会受损，且在地震随机性的基本影响下，建筑结构在倒塌可能性方面将无法控制，在破损程度方面也将无法控制；其二，适应性有限。在地震发生中，容许建筑结构出现一定破损，仅考虑结构自身的抗震，而没有将内部设备等因素考虑在内；其三，经济性不好。通过增加配筋以及加大结构截面的方式，来抵抗地震，最终结果就是刚度越大、截面越大，地震作用也就越突出、越明显。

该工程地处地震高烈度区，若运用传统延性抗震设计，那么会出现如下问题：其一，为了切实保障结构整体刚度与规范要求相满足，会存在比较大的结构构件需求截面，需布设更多的抗震墙，会对建筑功能产生直接影响，甚至无法完成建筑布设；其二，大部分连梁抗剪截面存在严重超限的情况，需要专门为此制定抵抗措施，因而会大幅增加费用支出；其三，有著过大的剪重比，突出表现为结构需承受过大的地震作用，此些地震作用的能量将通过结构构件的弹塑性变形来予以耗散，造成所设计结构与大震不倒的设计要求不相符；其四，当选择传统延性设计时，会存在过大的结构配筋量，因而会增加基础以及上部整体工程的造价。基于此，本工程需要积极采取有效的减震措施，增加消能部件，运用高效能的消能减震结构体系。

设置阻尼器来达到减震目的的原理为：（1）消能部件处于弹性状态，可以提供有效的刚度，另能为主体结构提供辅助，达到控制位移的目的，因而有利于构件截面的优化；（2）当消能部件进入非弹性状态之后，能够提供比较大的附加阻尼，而随着结构等效阻尼比的增加，结构地震作用会持续下降，因而能够实现构件截面及主体结构布置方面的优化；（3）优化构件截面及主体结构布置后，会加长特征周期，使地震作用进一步降低。因此，上述方面可以构件一个良性循环，直到选出一个比较合理、高质量的附加阻尼，使经济性与抗震性能均能够达到最佳配置。针对消能减震结构来讲，其在小地震或风力强劲时，消能部件初始刚度充足，当处于初始弹塑性状态或者是弹性状态时，结构在侧向刚度方面仍足够满足实际要求。如果发生大地震时，伴随结构侧向变形的增加，消能部件弹塑性变形向深度发展，将地震能量耗散，因而可以有效控制构件、主体结构在地震时的所出现的破坏程度。综上，该工程最终选用的是消能减震钢筋混凝土框架与核心筒结构体系。

3、设定消能减震结构抗震设防目标

依据既往对阻尼消能减震结构方面的研究结论，考虑工程实践经验及各类工程的相关要求，另参考传统建筑抗震设防的基本要求，把消能减震结构的抗震设防目标划分为三种类型，目标1：设置阻尼器的减震结构，与之对象的抗震设防目标为，如果遇到与本地区抗震设防烈度相当或偏低的地震影响时，结构整体受损较小，或者是经过简单修理能继续使用。如果遇到高于本地区抗震设防烈度预估的严重地震，可能出现损坏，但是经过针对性修理后，仍让可以继续使用；目标B：针对那些对效能减震有更高要求的阻尼减震建筑来讲，或者是处于较低设防烈度地震区的建筑，与之对应的抗震设防目标为：如果遇到与本地区抗震设防烈度相比有一定偏高的地震，或者是相当的地震影响，结构小受损坏，或者是其受力处理弹性状态，经过简单修理后，仍然可以继续使用；目标C：因多种原因造成结构在多遇地震下，仍无法满足规范要求，或需要采取有效减震措施，方能切实满足建筑施工要求时，可选用阻尼器来减震。此时，其在抗震设防目标上相同于现行的《建筑抗震设计规范》。由于目标A、与B会使工程造价增加，本文依据目标C来完成消能减震设计。

4、消能部件设计

4.1设置消能部件

在选择布置弹塑性阻尼器的方式方面，比较灵活，可依据建筑结构特性与功能来进行选择，比较常见的弹塑性阻尼器为四种类型，即支撑型、剪切连接型、墙型及中间柱型。依据该工程建筑功能特点及消能减震效率，依据建筑隔墙的具体位置，于部分楼层，配置软钢阻尼墙，并将其当做消能部件。针对框架柱来讲，其所选用的是型钢混凝土柱，相连于阻尼墙的框架梁，选用的是型钢混凝土梁。针对软钢阻尼墙来讲，其阻尼力多由软钢剪切塑性应变量来决定，实为位移相关屈服弹塑性阻尼器的一种，其形态与墙板类似，以中间柱型比较多见。针对软钢阻尼器来讲，其特点主要有：（1）较小的层间位移，阻尼墙可以提供有效刚度；当存在比较大的层间位移时，阻尼墙屈服后，会使结构阻尼增加，将地震能量消耗掉；（2）可根据减震相关要求及实际建筑规模，自主完成阻尼墙参数的设计；（3）产品可以设置于墙壁内，对建筑使用不会造成影响。本工程软钢阻尼墙选用的是中间柱型，与层高相比，阻尼墙高度小于后者，其与主体上下楼层间，用的是有较大刚度的刚臂连接，因此，其剪切板的剪切变形相比结构的层间变形，明显大于后者，因此，可以更加方便的完成阻尼墙各项参数的配置。

4.2软钢阻尼墙分析模型

由软钢恢复力模型试验得知，在没有出现破坏或屈曲时，恢复力模型实为比较饱满的稳定滞回环，能量吸收能力好，对于其恢复力而言，多与位移大小有关。针对软钢阻尼墙来讲，可选用双线性模型，对其基本力学特性进行模拟，用Wen滞回模型来模拟基本阻尼特性。

5、消能减震分析

5.1多遇地震下减震分析

以非减震结构有限元模型为基础，适当性增加阻尼单元，构建完整的减震模型。该工程运用ETABS软件plasticl单元，对阻尼墙模型的动力特性进行模拟，表2为其参数的基准值。在减震结构阻尼墙中，将31片阻尼墙布置在X向，将49片阻尼墙布置在Y向。X向阻尼墙弹性刚度为353030k/kN/m，屈服承载力为480Fdy/kN，第二刚度比ratio0.05；Y向阻尼墙分别为353030k/kN/m、480Fdy/kN、0.05

运用快速非线性分析法（FNA），分析多遇地震下的地震响应时程，选择2条人工波与6条天然波，减震前后所呈现出的位移角分析结果比较。基于楼层位移角曲线得知，阻尼单元对中上部楼层的位移角进行着有效控制。通过对阻尼墙减震模型进行合理化配置其刚度与规范要求相符。

5.2罕遇地震减震分析

运用Perform-3D构建此结构的非线性三维有限元模型，用纤维杆单元模型对框架柱、连梁及框架梁等结构件进行模拟；剪力墙的纤维截面由两部分组成，其一为附加配筋纤维截面，其二为基本配筋纤维截面。钢材特性选用Perform-3D非屈曲钢材本构及双线性随动硬化模型，不存在刚度退化。设钢材强屈比1.2，那么屈服之后，弹性模量比为E2/E1=0.01，而极限应变为0.025。针对混凝土材料来讲，其运用弹塑性损伤模型，可考虑材料在拉压强度方面的差异，以及拉压循环的刚度与刚度退化。在Perform-3D当中，混凝土的拉压乃是处于独立状态的，彼此间互不影响。该工程运用维纤维单元，对剪力墙的平面内剪切效应进行模拟，另采用弹性本构对扭转效应、平面外剪切及平面外弯曲效应进行模拟。在定义纤维截面时，用约束混凝土与非約束混凝土纤维，对端部约束区与非端部约束区进行模拟，针对梁与剪力墙来讲，则用内置的刚臂来连接。

针对梁柱单元来讲，其实为一种端部塑性区模型。其中，对于框架梁非线性区而言，其运用M-φ弯矩曲率铰模型；全部连梁构建均需同时考虑剪切铰与弯曲铰。Perform-3D模型主振型周期与SATWE模型之间的比较结果为：第一阶：SATWE周期为1.69s，平均系数为0.00+0.98（X+Y），扭转系数0.01；Perform-3D周期为1.62s；第二阶：SATWE周期为1.58s，平均系数为1.00+0.00，扭转系数0；Perform-3D周期为1.52s；第三阶：SATWE周期为1.38s，平均系数为0.00+0.02，扭转系数0.97；Perform-3D周期为1.38s。两种模型周期相差<5%，由此表明，两种模型有着较吻合的动力特性。

通过对减震结构与非减震结构Perform-3D有限元模型开展动力弹塑性分析，从中获取结构进入塑性阶段之后层间位移角的最大值、阻尼墙所在梁的地震内力、塑性铰开展的相应趋势，以此为结构构建设计及结构性能评价等，提供准确、可靠依据。X向阻尼墙的最大阻尼力为990kN，最大位移为32.4mm，Y向阻尼墙的最大阻尼力为1020kN，最大位移为34.4mm。由此表明，减震结构楼层位移得到显著减少，阻尼墙最大位移以及输出阻尼力比较合理，阻尼墙有着比较显著的减震效果。

6、结语

综上，由工程实际应用得知，阻尼墙经通过提供弹塑性时的附加阻尼比以及弹性时的有效刚度，使地震作用有效减小，并且建筑主体结构以及构建截面均得到相应优化，减小地震力与自重，形成了更为合理的良性循环，获得比较突出的减震效果，此外，还能切实发挥出抗震设防高烈度区高层建筑的各类功能，有着不错的应用价值。

参考文献：

[1]王承佑， 胡擎. 黏滞阻尼墙在既有框架结构改造减震设计中的应用与分析[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版）， 2017， 35（2）：210-214.

[2]张猛， 王晓斌， 王曙光. 宿迁水木清华三期消能减震结构设计[J]. 江苏建筑， 2014（3）：45-52.

[3]谭平， 刘淼鑫， 张颖，等. 平面内剪切型软钢阻尼墙偏心受力减震性能研究[J]. 建筑结构学报， 2013， 34（12）：45-51.

[4]梁万宇， 刘文光， 金焱，等. 既有高层框剪结构阻尼墙减震加固设计与分析[J]. 工程抗震与加固改造， 2014， 36（4）：100-105.

[5]周颖， 张丹， 卢文胜. 设置黏滞阻尼墙的钢框架结构振动台试验研究[J]. 建筑结构学报， 2017， 38（3）：14-25.