練祥宇 李萍 幸錦歡

1、廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 530004; 2、廣西桂商房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 530004

消能減震技術(shù)及地震反應(yīng)分析

練祥宇1李萍1幸錦歡2

1、廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 530004; 2、廣西桂商房地產(chǎn)開發(fā)有限公司 530004

概述了建筑結(jié)構(gòu)消能減震的發(fā)展歷史，闡述了消能減震的基本原理、力學(xué)模型、動力方程。用MATLAB程序模擬計算一個算例，通過對比分析一般結(jié)構(gòu)和消能結(jié)構(gòu)的時程反應(yīng)，得到建筑結(jié)構(gòu)采用消能減震技術(shù)可以有效降低地震反應(yīng)的結(jié)論，從而達(dá)到減震的目的。

消能減震；動力時程分析；黏彈性阻尼器

結(jié)構(gòu)的消能減震是結(jié)構(gòu)被動控制中最重要的方法之一，它是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能裝置，以吸收與消耗地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并消除或減輕結(jié)構(gòu)的局部損壞。

早在一兩千年前，我國人民就成功地應(yīng)用減震的概念和技術(shù)，建成遍布全國各地的宮殿、寺廟、樓塔等等。這些古建筑，經(jīng)歷多次強(qiáng)烈地震而屹立不毀，完整保留至今，大都不是采用“硬抗地震、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)”的方法，而是采用“以柔克剛、隔震消能”的途徑，充分證明消能減震技術(shù)概念合理，安全有效，簡單易行?，F(xiàn)代建筑中，1969年紐約世貿(mào)中心的雙塔樓上就已安裝了黏彈性阻尼器，有效地控制結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)，增加人體的舒適度。與國外相比起來，消能減震技術(shù)在我國的應(yīng)用要晚一些，但近年來發(fā)展得很快，并取得了滿意的實踐結(jié)果。我國《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2001)》也已增加了消能減震方面的相關(guān)內(nèi)容，以加速該項技術(shù)的實施進(jìn)程。規(guī)范對消能裝置的性能、安裝技術(shù)等均提出了要求，對消能減震結(jié)構(gòu)的分析提出計算原則。

1、消能減震的基本原理

消能減震的基本原理簡單概括為：在工程結(jié)構(gòu)的特定部位，裝設(shè)某種裝置或某種機(jī)構(gòu)(如消能支撐、消能剪力墻、消能節(jié)點等)，或某種子結(jié)構(gòu)(如調(diào)諧質(zhì)量等)，或施加外力(外部能量輸入)，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性或動力作用的體系，使結(jié)構(gòu)在地震(或風(fēng))作用下的動力反應(yīng)得到合理控制，確保結(jié)構(gòu)本身及結(jié)構(gòu)中的人、儀器、設(shè)備、裝修等的安全。

2、消能減震裝置的力學(xué)模型及運(yùn)動方程

地震作用下，消能減震結(jié)構(gòu)一般是靠消能裝置進(jìn)入非線性工作狀態(tài)來消耗地震能量，其地震反應(yīng)一般可根據(jù)消能裝置的力-位移恢復(fù)力關(guān)系，采用時程分析法求出解析解。

2.1 主體結(jié)構(gòu)分析模型

2.1.1 層模型

層模型取層為基本計算單位，采用層恢復(fù)力模型以表征地震過程中層剛度隨層剪力的變化關(guān)系，不考慮彈塑性階段層剛度沿層高的變化。

根據(jù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形狀況不同，層模型可分為三類，即剪切型、彎曲型與剪彎型。利用層模型可確定結(jié)構(gòu)的層間剪力與層間位移，在實際工程實踐中，主要用于檢驗結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的薄弱層位移及層間側(cè)移，并校核層剪力。

2.1.2 桿件模型

視結(jié)構(gòu)為桿件體系，取梁、柱等桿件為基本計算單元，并將結(jié)構(gòu)質(zhì)量集中于各節(jié)點上，即構(gòu)成桿系模型。各節(jié)點具有獨立的節(jié)點位移，結(jié)構(gòu)的動力自由度數(shù)等于結(jié)構(gòu)節(jié)點自由度的總數(shù)。該模型適用于桿系結(jié)構(gòu)，可求解結(jié)構(gòu)中各桿件的內(nèi)力和變形。

2.2 消能裝置的恢復(fù)力模型

目前的減震耗能裝置根據(jù)性能可以分為位移型、速度型阻尼器。結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常是將阻尼器與鋼支撐串聯(lián)形成黏滯耗能支撐，并將其附設(shè)于結(jié)構(gòu)層框架柱之間。它們與結(jié)構(gòu)連接在一起的單層力學(xué)模型可以簡化為圖示1的模式所示，一般應(yīng)用較為普遍的有：軟鋼彈塑性阻尼器系統(tǒng)(EPD)、黏彈性阻尼器系統(tǒng)（VSD)及黏滯阻尼器系統(tǒng)（VED），其力學(xué)模型分別如下列各圖所示。

圖1 單層結(jié)構(gòu)消能支撐力學(xué)模型

圖2 VSD系統(tǒng)力學(xué)模型

圖3 VED系統(tǒng)力學(xué)模型

圖4 EPD系統(tǒng)力學(xué)模型

2.3 運(yùn)動方程

式中：[M]、[C]、[K]為結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，{x}為結(jié)構(gòu)相對地面的位移向量，{l}為單位列向量，{U}為控制力向量，，[H]為控制裝置位置矩陣。則此時該阻尼器所提供的控制力為：

3、算例分析

表1數(shù)據(jù)可以得出被控結(jié)構(gòu)在地震下第一至四層的層間角位移大于限值1/550。相比，消能結(jié)構(gòu)的層間位移非常小，很容易滿足要求。表2數(shù)據(jù)可以得出消能結(jié)構(gòu)的層間剪力大大減少，降至被控結(jié)構(gòu)的52%以下，定量說明了消能結(jié)構(gòu)水平地震作用的有效降低情況。并且如果加大阻尼器的數(shù)量，效果更為明顯。

4、結(jié)論

通過計算分析對比可知，附加阻尼器可有力的改善原結(jié)構(gòu)的動力特性，提高體系的頻率，從而降低結(jié)構(gòu)在地震作用下或風(fēng)作用等水平動荷載作用下的反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)抵抗沖擊的能力，有效地保護(hù)了結(jié)構(gòu)安全。

表1 層間位移對比

表2 層間剪力對比

[1] 周福霖.工程結(jié)構(gòu)建筑控制[M].北京：地震出版社.1997.

[2] 周云. 黏彈性阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].武漢理工大學(xué)出版社.

[3] GB 50011-2001.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[4] 白志強(qiáng)，于蘭蘭.黏彈性阻尼器結(jié)構(gòu)的動力特性分析[J].濰坊學(xué)院學(xué)報.2008，8(2)：113-115

練祥宇（1985-）女、廣西桂林人，廣西大學(xué)土木建筑工程碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計及施工控制的新理論新方法。

李萍（1984-）女、廣西賀州人、廣西大學(xué)土木建筑工程碩士，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)。

幸錦歡（1983-）廣東羅定人，助理工程師，廣西桂商房地產(chǎn)開發(fā)有限公司。