基于消能减震技术的高层框支剪力墙结构抗震性能研究

马纳静 贾振睿

1. 天津市建筑工程职工大学 天津 300000 2. 天津群峰环保科技有限公司 天津 300000

1 消能减震技术概述

以往所使用的抗震设计模式是利用高层框剪力墙结构强度与刚度被动的将地震能量进行抵消，而效能减震技术与传统抗震设计模式相比可以进一步保证建筑结构的安全性与经济性。同时在城市不断发展的过程中，将消能减震技术应用到高层建筑中可以对框支剪力墙结构的抗震性能进行优化且可以更好的体现出高层框支剪力墙结构优势。消能器产品不同耗能机理也不相同，消能器主要包括速度相关型消能器、位移相关型消能器等，同时在使用时还应与建筑结构高度、结构体系等方面进行结合，不同种类的消能器应用到不同的工程中均得到了良好的效果。位移相关型消能器主要包括铅消能器、摩擦消能器、屈曲约束支撑及软钢剪切消能器等。速度型消能器主要以黏滞材料为主，产品包括黏滞阻尼器与黏滞阻尼墙。其中黏滞阻尼器并不会提升结构刚度且会缩短应用周期，但是可以提供附加阻尼耗能并可以将结构反应进行控制。

消能减震技术在应用后不仅可以保证减震器的使用效果同时可以得到良好的经济性。随着对设计精度、效率要求的不断提升在与速度型阻尼器结合使用后大变形能效果稍差于小变形能效果，但是应用位移型阻尼器后可以得到良好的小变形耗能效果，现在一些建筑工程在进行建筑设计时会采用组合消能减震技术。比如在进行某会展中心项目建设时就采用了三种消能器，包括软钢耗能连梁消能器、屈曲约束支撑消能器、黏滞阻尼伸臂桁架消能器。某商业中心项目建设与伸臂桁架结合进行了布置并采用了屈曲约束支撑伸臂与黏滞阻尼伸臂；在某超高层建筑工程中采用了组合消能减震方案，在应用后不仅得到了良好的应用效果同时提升了建筑的经济性，但是此类组合减震方案多被应用到超高层建筑结构中并不适合应用到中底层建筑中[1]。

2 高层框支剪力墙结构应用范围

在了解高层框支剪力墙结构特点后可知该结构多被应用到高层建筑或是地下停车场中，主要是因为建筑地下层需要的空间较大且可以为建筑商业活动提供便利。如某高层建筑中地上建筑为四层，主要开展相应的商业活动，这样的情况下就需要将第4层作为转换层且需要该层具有较大的活动空间。

现阶段所使用的转换层结构包括梁式转换层结构、厚板转换层结构、箱式转换层结构等，转换层结构种类较多，因此在进行选择时需要设计人员与工程实际情况结合，进而保证墙体可以均匀受力。其中，厚板转换层结构可以应用到7、8度抗震设计地下室转换层构件中或是6度及非抗震设计转换构件中。若建筑转换层位置较高并不会给抗震带来益处，因此一部分框支剪力墙结构会设置到地面以上的转换层中，通常不会使用9度；超过三层高度不宜使用8度；超过5层高度不宜使用7度；当6度时可以根据实际情况适当提升，但是即使是适当提升也应与工程实际情况结合，如果有必要需要先得到施工图纸审核单位同意或是对抗震超限进行审查；如果没有应用经验适当提高不得超过6层。此类墙体结构比较容易出现扭转情况，因此要想将以上问题进行控制设计人员需要在进行平面设计时确保刚心可以与质心接近。在进行设计的过程中根据高层建筑底部设计要求科学设计剪力墙结构并优化调整转换梁及框支柱的位置，保证结构的科学性与合理性。此外，在了解高层建筑基本形态后应认识到墙体结构竖向设计的重要性并在设计前做好全面与精准的计算、测试工作，最终确保结算结构的准确性并保证可信度。了解现阶段高层建筑建设标准与要求后，要想进一步满足标准与要求应严格控制转换层上下部分刚度，避免转换层上下部刚度与强度出现偏差；当上部分刚度较大而下部分刚度较弱时设计人员应不断增加下部刚度，同时将上部刚度进行控制，从而保证转换层上下部刚度相近，更好的满足高层建筑建筑标准与要求[2]。

3 构建高层框支剪力墙消能减震结构模型

3.1 计算消能减震结构模型阻尼器参数

进行阻尼器相关参数初步确定时可以采用整体阻尼比估算公式与消能减震结构设计。当阻尼器提供给结构有效阻尼比为ξa=11%时，黏滞阻尼器设计参数：阻尼系数=1300kN/(m/s)；阻尼指数=0.4；最大阻尼力=700kN；最大结构位移±20mm。了解屈曲约束支撑型号后科学进行型号算账并确定屈曲约束支撑参数：极限承载力P0=1100kN；屈服承载Py=850kN。屈服后刚度比为0.03，屈服指数为4，有效刚度为7.8×105kN/m，芯材以Q235为主。

3.2 模拟阻尼器模型数值

阻尼器种类不同给高层框支剪力结构减震性能所带来的影响也不相同，主要构建了结构原模型与两种消能减震模型。首先模型1。可以将黏滞阻尼器布置到相应的速度型消能器中；第二，模型2。将屈曲约束支撑布置到相应的位移型消能器中。了解有限元分析ETABS中文版使用指南中的内容与方法后可以将连接单元模拟阻尼器利用ETABS有限元软件进行分析，其中模型1采用非线性Link(Damper)单元模拟；模型2通常用非线性Plastic(Wen)单元模拟。

3.3 合理布置阻尼器

将阻尼器布置到两个模型框支层中，可以采用单向斜撑布置方式。要想更好的体现出所使用阻尼器的减震效果将模型1与模型2阻尼器布置到相同位置[3]。

4 合理选择模型时程对地震波进行分析

高层建筑结构技术规定中明确指出，地震波整体持续时间不得比建筑结构基本自振周期小5倍与15s，地震波时间间隔选取时以0.01s或0.02s为主。在综合考虑地震动三要素后与工程实际条件结合后合理科学选择天然地震波与人工地震波。其中天然波一中加速峰值=277.6cm/s2，时间间隔与持续时间分别为0.02s、20s；天然波二中加速峰值=531.7cm/s2，时间间隔与持续时间分别为0.02s、20s。人工波中加速峰值=100cm/s2，时间间隔与持续时间分别为0.02s、20s。

5 消能减震设计

5.1 合理设计结构方案

结构减震设计过程时应关注以下方面：在明确设计目标的基础上对减震设计中阻尼比进行确定并保证所选择的阻尼参数的科学性，最终确定阻尼器型号与安装位置。进行多遇地震计算分析时可以采用有限元计算分析软件，从而保证阻尼器满足结构要求，应用时程均值完成配筋模型计算并应用两种软件的包络设计值作为依据进行计算。计算罕遇地震值时应充分做好位移计算并合理调整承载能力极限状态。

5.2 确定结构减震设计目标

结构减震设计的过程中应先保证结构减震设计目标的准确性，在确定结构减震设计目标时应将工程结构安全性、稳定性与经济性进行平衡，从而保证结构减震设计满足要求。结构减震设计目标确定后应确保其与常规设计要求相符并可以控制消能器的使用量[4]。

5.3 结构设计内容

5.3.1 构建结构模型

在了解建筑条件后，根据以往所使用的设计方法完成软件结构计算，从而保证模型中的各项指标与规范要求相符。可以将已经构建好的YJK模型或是PKPM模型导入到ETABS模型中并利用膜单元进行楼板模拟，在对比质量、周期、振型分解反应谱法下层剪力、层间位移、层间位移角时可以应用ETABS模型、YJK模型或是PKPM模型所建立的非减震结构模型完成计算。工程两者结构间的差控制在1.551%至3.546%之间，将计算结果差异控制在最小，进而保证两种软件计算模型基本是相同的。此步骤只可以对两种软件计算差异值进行验证，可以相互通用。

5.3.2 保证附加阻尼比的准确性

在GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）中规定消能减震结构中的总阻尼比是结构阻尼比与效能构建附加给结构的有效总阻尼比的和。试算时可以采用YJK模型与PKPM软件，首先应先对目前结构所达到的目标位移值进行估算，先确定总阻尼比然后再使用总阻尼比减去结构阻尼比，最终得到结果要素需要的附加阻尼比，对附加阻尼比核对计算时可以使用ETABS软件。采用YJK模型完成工程过程中的试算，当得到减震目标位移值时阻尼设定在7%，附加阻尼比为2%。

5.3.3 阻尼器数量与参数确定并做好安装工作

通过附加阻尼比与经验、建筑平面布置情况先假定阻尼器设置位置，试算时采用连接单元将阻尼器带入到ETABS模型中，要想更好的满足附加阻尼比要求应对连接单元参数、阻尼器安装位置及安装数量进行不断调节，从而保证连接单元参数满足所选择阻尼器产品的要求，最终得到所使用阻尼器的阻尼系数与指数并最终确定阻尼器安装数量。确定阻尼器安装位置：楼板平面位置安装阻尼器时应落实均匀性原则、分散性原则及对称性原则，从而对地震时集中应力进行削弱并对结构刚度进行平衡。根据非减震设计模型计算后所得到的最大层间位移角系数完成阻尼器竖向设置。然后再安装一个阻尼器模型并利用有限元分析完成最大层间位移角设定，然后再进行阻尼器安装，这样进行循环最终完成竖向阻尼器设置。但是在进行阻尼器安装时不得将其固定到一个层面，保证竖向安装的均匀性。一般会采用悬臂墙黏滞阻尼器，减少给建筑结构功能所带来的影响。

5.3.4 构建有限元模型并合理选择地震波，分析小震弹性时长

ETABS中的黏滞阻尼器模拟时可以采用连接单元并保证准确性，选择与要求相符的两条人工波与五条天然波并分析小震弹性时长。对比内力结构与未使用减震技术时结构且可以将最核心内容进行应用，保证对比结构的准确性。

5.3.5 分析建筑结构大震弹塑性

减震结构弹性时程分析时可以应用SAP2000软件，从而分析高层框支剪力墙结构塑性变形特点及阻尼器在加大地震灾害时的优势。SAP2000软件中可以使用连接单元damper模拟黏滞阻尼器定义主体结构框架梁与柱。分析弹塑性时程时可以选择三条地震波进行计算并取三条地震波的包络值。大地震来临时X方向减震结构层间位移角为1/260，未采用减震结构为1/155；Y方向减震结构层间位移角为1/250，未采用减震结构为1/184。

5.4 对建筑结构进行优化并提高建筑抗震性能

在进行建筑结构竖向缝隙连接时相关人员应进行静力试验，通过试验可以得到建筑结构滞回曲线，再完成刚度变化、退化及耗能等方面的分析，最终得到建筑工程整体结构型钢剪力墙组合结构的抗震性能及运行性能。评估建筑结构抗震性能时还可以分析整体框架结构静力弹塑性，采用此种方式可以逐渐提升建筑结构模型地震受力水平并保证模型效率，同时对比高性能建筑框架结构与普通水泥框架结构的抗震性能，通过分析可知在保证高性能建筑框架结构设计效果时其抗震性能与普通混凝土框架结构相符。对一部分型钢混凝土实心柱与空心柱进行分析时可知，采用静力试验可以对不同柱体抗震性能进行研究，研究不同参数变量对耗能及变形能力的不同影响。叠合板厚度不同抗震能力也不相同，与现浇结构相比抗震性能的影响可能更大，叠合板节点变形情况、开裂情况、承载能力、屈服位移等比较接近现浇混凝土结构，有一部分的承载能力会更高一些。相关研究人员对装配式混凝土结构与冷弯薄壁型钢填充墙板进行分析后可以发现在此种框架结构中，通常当结构出现破坏情况时多是由柱体受压碎裂所导致的，最终导致此处位置产生钢筋屈服问题。同时轴压与冷弯薄壁型钢填充墙板被破坏有一定的关系，轴压比值增加此处结构刚度就越小。要想控制因刚度过小所导致的结构破坏问题可以使用聚合填充材料提升结构刚度并提高结构抗剪能力，且在墙板增厚同时可以增加框架结构抗侧力与抗剪力[5]。

6 结语

将消能减震技术应用到高层框支剪力墙结构中，要想得到良好的应用效果可以对各类型阻尼器给高层框支剪力墙抗震性能所带来的影响进行分析。可知模型1与模型2结构比原有结构抗震效果更好。模型2可以很好的控制框支剪力墙结构楼层位移情况，保证其在19.28%与38.23%之间。模型1可以很好的控制框支剪力墙基地剪力，保证其在9.19%与14.83%之间。可见模型2耗能比与模型1好。可见采用消能减震技术后可以提升高层建筑的抗震性能。