莫 玉, 李彭毅

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川崇州 611231; 2.成都碧桂園盛碧置業(yè)有限責(zé)任公司，四川成都 610015)

我國(guó)地震頻率高、災(zāi)后影響大，頻繁發(fā)生的地震災(zāi)害，造成巨大的損失。尤其是近幾十年來地震頻率逐年上升，每一次地震后，都意味著大量人力、物力以及財(cái)力的損失。歷次的地震災(zāi)害告訴我們，在地震中95 %以上的生命損失是由建筑結(jié)構(gòu)的破壞造成的[1-5]。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震方法通過增強(qiáng)自身的抗震性能來抵御地震作用，主要通過結(jié)構(gòu)本身的破壞來實(shí)現(xiàn)地震能量的耗散。對(duì)于災(zāi)害強(qiáng)度不確定的地震來說，是一種被動(dòng)消極的抗震方法。已有的研究表明，耗能減震技術(shù)通過附設(shè)抗震裝置的方式，能夠調(diào)節(jié)地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)本身的影響，極大地提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保了結(jié)構(gòu)的安全性[6-7]。

基于此，筆者以一高層鋼筋混凝土框架剪力墻建筑結(jié)構(gòu)為工程背景，利用耗能減震技術(shù)提高結(jié)構(gòu)抗震性能，并從結(jié)構(gòu)抗震層面上分析粘滯阻尼裝置的耗能減震效果[8-10]。對(duì)未設(shè)置粘滯阻尼器的普通鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)和設(shè)置有粘滯阻尼器的同一鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，進(jìn)行地震作用下的模擬分析，評(píng)估其抗震性能。對(duì)附設(shè)粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)研究可以為工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)減震、隔震設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼筋混凝土純框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型

1.1 模型基本數(shù)據(jù)

根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于建筑形體及構(gòu)件布置的要求：建筑設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)注重平面立面及豎向的規(guī)則性，抗側(cè)力構(gòu)件平面的布置宜對(duì)稱規(guī)則，側(cè)向剛度宜保持均勻變化，從而避免側(cè)向剛度和承載力的突然變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中[11]。對(duì)未設(shè)置有粘滯阻尼器的鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，即純框架剪力墻結(jié)構(gòu)方案，下文統(tǒng)稱為初始方案。結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖1所示。

圖1 初始方案結(jié)構(gòu)平面示意(單位：mm)

初始方案為西南地區(qū)某高層建筑，地上15層，結(jié)構(gòu)總高度50.4m，長(zhǎng)30m，寬16.2m。根據(jù)我國(guó)對(duì)地震烈度的區(qū)域劃分，該建筑所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地土為II類，場(chǎng)地土基本特征周期為0.4s，基本地震加速度為0.2g。底層層高為4.2m，其余各層的層高均為3.3m。沿長(zhǎng)邊方向方向有5跨，每跨間距為6m，沿短邊方向有3跨，跨度分別為6.9m，4.2m，6.9m。模型選用兩種不同的混凝土材料，框架梁、柱用混凝土為C40，樓板及墻體用混凝土為C30。構(gòu)件信息見表1，混凝土參數(shù)見表2。

表1 構(gòu)件信息

1.2 模型建立

建模工作結(jié)合Ansys有限元軟件的GUI操作和APDL語(yǔ)言共同完成，結(jié)構(gòu)模型的框架梁、框架柱選用三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧狟EAM188，支撐選用三維桿件單元LINK180， 樓板及剪力墻選用彈性殼單元SHELL181，阻尼器采用彈簧阻尼單元COMBIN14[12-13]。邊界條件，將底部柱、剪力墻均視為與地面固接，結(jié)構(gòu)模型可理解為一嵌固在基礎(chǔ)上懸臂梁，受到水平方向的地震荷載作用。初始方案結(jié)構(gòu)軸測(cè)圖如圖2所示。

表2 混凝土參數(shù)

圖2 初始方案結(jié)構(gòu)軸測(cè)

1.3 地震波數(shù)據(jù)

該建筑處于8度(0.20g)地區(qū)、II類場(chǎng)地，根據(jù)地震波選取條件。因此，本文選擇了適合II類場(chǎng)地的天然地震波：El-Centro地震波。El-Centro波步長(zhǎng)為0.02s，持續(xù)時(shí)間54s。圖3所示為El-Centro波加速度時(shí)程曲線,表3所示為El-Centro地震波參數(shù)。

圖3 El-Centro波加速度時(shí)程曲線

表3 天然地震波參數(shù)

2 粘滯阻尼器布置方案

2.1 粘滯阻尼器力學(xué)理論基礎(chǔ)

粘滯阻尼器阻尼力F同粘滯阻尼器活塞的運(yùn)動(dòng)速度v大小存在一定關(guān)系[14]：

F=Cvα

(1)

上式中：C為阻尼系數(shù)；v為活塞的運(yùn)動(dòng)速度；α為速度指數(shù)，介于0.3到1.0之間。

其中，阻尼系數(shù)C的大小與多個(gè)因素有關(guān)，包括活塞的直徑、導(dǎo)桿的直徑，液體的粘滯度等因素。

當(dāng)采用粘滯阻尼器作為結(jié)構(gòu)的耗能減震裝置時(shí)，首先要確定粘滯阻尼器的阻尼力首先要選定阻尼系數(shù)C和速度指數(shù)α。

從式(1)中可知，由于α值小于1，因此α越小，C值越大，則阻尼力越大。雖然α越小，C值越大，則阻尼力越大。但C過大，α過小時(shí)，此時(shí)粘滯阻尼器是不合理的。因此，合理的選擇C和α，會(huì)有效提高粘滯阻尼器的減震效率。根據(jù)以上結(jié)論，經(jīng)過比較，所選的阻尼器基本參數(shù)如表4所示。

表4 阻尼器的基本參數(shù)

2.2 兩種粘滯阻尼器布置方案

2.2.1 方案一

方案一：沿各樓層均勻布置阻尼器，每層對(duì)稱布置六個(gè)阻尼器。如圖4、圖5所示。

圖4 方案一軸測(cè)

圖5 ①-④軸粘滯阻尼器布置方案(單位:mm)

2.2.2 方案二

方案二：由軟件分析可得初始方案在地震作用下最大層位移、層間位移及層間位移角，詳見表5、表6、表8?？芍跏挤桨钢猩蠈拥膶娱g變形較大，因此方案二集中在結(jié)構(gòu)中上層設(shè)置阻尼器。阻尼器布置如圖6所示。

圖6 方案二軸測(cè)

3 兩種粘滯阻尼器布置方案地震響應(yīng)對(duì)比

3.1 層位移對(duì)比

本文是對(duì)罕遇地震作用下粘滯阻尼結(jié)構(gòu)抗震性能分析，希望結(jié)構(gòu)在附設(shè)有粘滯阻尼器后能有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[15-17]。為方便評(píng)價(jià)粘滯阻尼器布置方案的優(yōu)劣，對(duì)減震幅值做出定義：減震幅值=(減震前結(jié)構(gòu)響應(yīng)-減震后結(jié)構(gòu)響應(yīng))/減震前結(jié)構(gòu)響應(yīng)。由ANSYS軟件可得初始方案、方案一以及方案二在ELCentro作用下層位移最大值，詳見表5。提取表5中數(shù)據(jù)。將三種方案作對(duì)比，得到初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層位移最大值對(duì)比圖，如圖7所示。

表5 層位移的最大值 m

圖7 EL波下初始方案和方案一以及方案二最大層位移對(duì)比

由表5表中數(shù)據(jù)可知：在EL地震波作用下，方案一的最大層位移比初始方案少35.06 %，方案二的最大層位移比初始方案少61.37 %。方案一對(duì)層位移的減小幅值在30 %左右浮動(dòng)，較為穩(wěn)定。方案二對(duì)層位移的減小幅值在36.61 %至61.37 %之間，減小幅值較大。表明方案二的減震控制效果更好。

3.2 層間位移對(duì)比

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，可得到初始方案、方案一以及方案二在ELCentro作用下層間位移最大值，詳見表6。提取表6中數(shù)據(jù)。將三種方案作對(duì)比，得到初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層間位移最大值對(duì)比圖，如圖8所示。

表6 層間位移的最大值 m

圖8 EL波下初始方案、方案一、方案二最大層間位移對(duì)比

由表6中數(shù)據(jù)可知：在EL地震波作用下，方案一的最大層間位移比初始方案少了38.28 %，最大層間位移出現(xiàn)在第十二層。方案二的最大層間位移比初始方案少了48.80 %，最大層間位移同樣出現(xiàn)在十二層。整體表現(xiàn)為中上部樓層層間位移減小幅值比下部樓層層間位移減小幅值大，且方案二對(duì)層間位移的控制效果更好。

3.3 層間位移角對(duì)比

對(duì)于框架剪力墻結(jié)構(gòu)而言，層間位移角是決定框架所在樓層剪力的主要因素。當(dāng)框架剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角大于1/3000時(shí)，此時(shí)剪力墻的薄弱處出現(xiàn)裂縫，但框架依然處于彈性狀態(tài)；當(dāng)層間位移角在1/500附近時(shí)，框架處于彈性極限狀態(tài)，即接近彈塑性狀態(tài)。此時(shí)框架所在樓層剪力增大，出現(xiàn)剪力最大的位置，也就是最不利受力位置?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)層間位移角的極限值為1/500，屈服狀態(tài)時(shí)層間位移角的極限值為1/250，彈塑性狀態(tài)層間位移角的極限值為l/50。

根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》可知結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角的最大值[θp]，即彈塑性層間位移角限值，如表7所示。

表7 彈塑性層間位移角限值

由ANSYS軟件可得初始方案、方案一以及方案二在ELCentro作用下層間位移角最大值，詳見表8。提取表8中數(shù)據(jù)。將三種方案作對(duì)比，得到初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層間位移角最大值對(duì)比圖，如圖9所示。

圖9 EL波下初始方案和方案一以及方案二最大層間位移角對(duì)比

將表7和表8對(duì)比可知，初始方案、方案一、方案二在EL地震波作用下層間位移角均小于1/50，結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)為彈塑性狀態(tài)。

表8 層間位移角的最大值

由表8中數(shù)據(jù)可知：初始方案的薄弱層在中上層，在EL地震波作用下1～4層層間位移角較小，5～15層間位移角較大，其中層間位移角最大值出現(xiàn)在10、11層，層間位移角為1/155。這種隨高度的變化地震響應(yīng)不同的現(xiàn)象主要是由于鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度造成的，而層間位移角是影響結(jié)構(gòu)相對(duì)剛度比的重要因素，決定了結(jié)構(gòu)彈塑性階段內(nèi)力如何重分布，進(jìn)而影響了地震作用力的分配。在EL地震波作用下，方案一的最大層間位移角比初始方案少了38.25 %，方案二的最大層間位移角比初始方案少了47.81 %。

3.4 2種粘滯阻尼器布置方案的總體對(duì)比結(jié)果

圖7～圖9分別為EL地震波作用下初始方案、方案一及方案二的最大層位移對(duì)比圖，最大層間位移對(duì)比圖，最大層間位移角對(duì)比圖。從以上三個(gè)對(duì)比圖觀察可知：方案二對(duì)地震的控制效果較好，但方案二的最大層間位移及最大層間位移角在4層和13層有波動(dòng)，且4層以下方案二和方案一的地震控制效果基本一致。因此雖然方案二對(duì)于地震響應(yīng)的控制效果較方案一更好，但方案一的地震響應(yīng)隨高度變化較為平緩，這樣使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力較為均勻，能夠讓結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件充分參與到抵御地震作用中，整體性更好。

4 結(jié)論

根據(jù)方案一和方案二2種粘滯阻尼器布置方案下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)對(duì)比分析結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

(1)由于粘滯阻尼器本身存在阻尼，可以耗散地震傳入結(jié)構(gòu)當(dāng)中的能量，因此合理的粘滯阻尼器布置方案能夠有效減小結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的地震響應(yīng)。

(2)在相同地震波作用下，設(shè)置有粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)和未設(shè)置粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的破壞存在明顯差異。設(shè)置有粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)抗震性能要比未設(shè)置粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)優(yōu)越很多。主要原因是粘滯性阻尼器本身無剛度，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的剛度，且提供消耗地震能量的阻尼。在增設(shè)了粘滯性阻尼器后，結(jié)構(gòu)的變形被合理分配到各個(gè)樓層，薄弱層的變形相對(duì)減小，因此提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(3)當(dāng)以結(jié)構(gòu)的層位移、層間位移、層間位移角作為判定指標(biāo)時(shí)，初始方案、方案一和方案二地震反應(yīng)的排序大致為：初始方案大于方案一大于方案二。

(4)方案一將粘滯阻尼器均勻分配到每個(gè)樓層的阻尼器布置方案不能取得較好的減震效果，并且將粘滯阻尼器均勻分配的方案不能充分發(fā)揮粘滯阻尼器的作用，因此方案一相對(duì)來說不適用于工程實(shí)際。