鄒旭巖，郭艷坤

(中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，鄭州450044)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高層、超高層建筑如雨后春筍般的一座座拔地而起。由于高層建筑結(jié)構(gòu)一般剛度較柔、阻尼較小，因此，當結(jié)構(gòu)的高度較高、高寬比較大時，一方面結(jié)構(gòu)采用一般的抗震方法很難做到經(jīng)濟合理的去滿足規(guī)范的要求;另一方面強烈地震時結(jié)構(gòu)仍要進入彈塑性而引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷與破壞。［1］因此，采用結(jié)構(gòu)振動控制的方法去改善以及解決這類建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計是必要的、可行的。結(jié)構(gòu)振動控制是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)動力特性的途徑，來減小結(jié)構(gòu)在地震等激勵下的振動響應(yīng)，從而保護結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)附屬物不受損壞。［2］結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)依據(jù)其控制措施是否依賴外部能源可分為被動控制、主動控制、半主動控制以及混合控制。鑒于各種振動控制技術(shù)［3］的特點，本文選取在結(jié)構(gòu)中設(shè)置粘彈性阻尼器(VED)的方案來進行結(jié)構(gòu)減震控制。這是由于VEDs可以在較寬的頻帶范圍內(nèi)對振動進行抑制，特別適用于隨機和寬帶領(lǐng)域中動力環(huán)境的減震問題(如地震和風(fēng)振)。［4，5］另外，此方法也是目前國內(nèi)應(yīng)用較多、較為成熟的消能減震方法;它具有價格低廉、運輸、安裝、使用和維護都非常方便、快捷的優(yōu)點，使其能夠在工程中得以實際應(yīng)用。［6，7］

本文首先對一高層結(jié)構(gòu)進行了多遇地震下的結(jié)構(gòu)層間位移進行了驗算，發(fā)現(xiàn)部分層間位移不滿足規(guī)范要求，故采用加設(shè)VED的方案進行減震控制;接著采用工程分析軟件SAP2000對加入VED的結(jié)構(gòu)的動力特性進行了分析;最后對加入VED的結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的減震效果進行了計算分析。通過以上分析，為粘彈性阻尼器在工程中的應(yīng)用提供了一定的參考價值。

1．粘彈性阻尼器計算模型

目前，已提出了多種粘彈性阻尼器的恢復(fù)力模型。主要有Kelvin模型、Maxwell模型、標準線性固體模型、等效標準固體模型、等效剛度和等效阻尼模型等。［8，9］為符合振動過程中粘彈性材料的性質(zhì)特征，同時考慮VED在軟件中的設(shè)置問題，即采用一個粘壺單元和一個彈簧單元并聯(lián)的形式，如圖1所示。

1 粘彈性阻尼器計算模型

2．模型建立

本文計算結(jié)構(gòu)原型為一高層建筑，共42層，標準層高為3．5 m，主要屋面高度為158．5m，結(jié)構(gòu)平面為矩形，高寬比約為6∶8。建筑立面上下一致，樓層無收進和挑出。結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件沿豎向均勻布置，部分外框架柱在二層樓面處采用梁式轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)計算44層(包括凸出屋面的機房)。抗震計算時，取抗震設(shè)防烈度為7度(0．1g)，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，結(jié)構(gòu)的整體阻尼比為0．04。由于本結(jié)構(gòu)屬于高柔結(jié)構(gòu)，故利用SATWE和ETABS計算軟件采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析的計算方法進行抗震驗算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Y方向存在若干層的層間位移角超出了規(guī)范規(guī)定的1/800，不能滿足抗震規(guī)范的要求?，F(xiàn)擬采用 SAP 2000對其進行計算比較，在SAP2000中所建立的模型如圖2所示，并采取相應(yīng)的減震控制措施使其結(jié)構(gòu)滿足抗震規(guī)范要求。

圖2 結(jié)構(gòu)計算模型

3．結(jié)構(gòu)動力特性分析

表1 結(jié)構(gòu)動力特性

現(xiàn)將各軟件動力特性分析結(jié)果列于表1中。從表中可以看出，各個軟件所計算出來的各振型頻率相差不大，這說明采用SAP2000所建的計算模型是正確的。

另外，對該結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的時程分析，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［10］中時程分析地震波的選擇要求，選擇2條天然波和1條地震波加速度時程如圖3所示。

圖3 所選地震波加速度時程曲線

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)Y方向在地震作用下的層間位移角超過限值1/800的要求。主要是從18層到28層之間樓層超限，且第15、30層有位移角突變現(xiàn)象，因此，本文采取在15、30層部位設(shè)置VED來進行減震。

4．加入VED的結(jié)構(gòu)減震效果分析

4．1 VED 布置方案

在不影響建筑正常功能使用的前提下，本文采取沿結(jié)構(gòu)的邊沿的柱間設(shè)置VEDs，阻尼器的參數(shù)(包括阻尼層數(shù)、剪切面積大小、剪切厚度等)根據(jù)工程所在地區(qū)的年平均氣溫和結(jié)構(gòu)的動力特性來確定，以更好地符合結(jié)構(gòu)的受力特性。阻尼器的數(shù)量、位置通過多輪時程分析進行優(yōu)化調(diào)整后確定。阻尼器加設(shè)方式如圖4所示，即在框架柱間和框架柱與剪力墻間加設(shè)交叉斜撐和單斜撐(如圖4(a)和圖4(b)所示)，以最大地發(fā)揮阻尼器的性能。另外，阻尼器在樓層平面內(nèi)布置方案如圖5所示。

將以上布置形式的VEDs布置在15層和30層，其立面布置按圖6所示部位布置。

圖4 粘彈性阻尼器布置形式

圖5 VED布置方案圖

圖6 VED在結(jié)構(gòu)中的立面布置

4．2 計算結(jié)果分析

將加入VED的結(jié)構(gòu)動力特性計算結(jié)果列于表2中，從表2中可以看出:在加入 VED后，采用SAP2000計算得到結(jié)構(gòu)的第一振型周期從5．05s縮短到4．65s，這說明結(jié)構(gòu)的剛度由于阻尼器的加入顯著提高。由此可見，VED的加入不但為結(jié)構(gòu)提供阻尼，還為結(jié)構(gòu)提供了一定的剛度，這也是結(jié)構(gòu)層間位移可以減小的一個原因。

表2 加入VED的結(jié)構(gòu)動力特性

另外，圖7為結(jié)構(gòu)的第一振型示意圖，從圖中可以看出:結(jié)構(gòu)在加入VED后，結(jié)構(gòu)的第一振型的位移幅值明顯較未加入VED結(jié)構(gòu)的小，這也說明了VED的加入使結(jié)構(gòu)的剛度等特性發(fā)生了變化，從而引起了結(jié)構(gòu)動力特性的改變。這也正是阻尼器產(chǎn)生作用的表現(xiàn)——振動控制的手段就是通過減振措施調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性，以達到減小結(jié)構(gòu)在地震等激勵下振動響應(yīng)的目的。

圖7 結(jié)構(gòu)第一振型示意圖

利用SAP2000對加入VED的結(jié)構(gòu)，在Elcentro、Taft和Tarzana波下進行時程分析，取15層位置的計算結(jié)果加以分析。圖8為結(jié)構(gòu)Y方向輸入Elcentro地震波時，第15層的動力響應(yīng)時程曲線。

圖8 Y方向輸入Elcentro波時結(jié)構(gòu)的時程曲線

從圖8中可以看出，結(jié)構(gòu)在加入VED后，其位移響應(yīng)加速度響應(yīng)都得到了一定的控制。其中，位移幅值從76mm減至62mm，幅值減小了18．4%;而加速度幅值更是從2．85m/s2降至2．28 m/s2，減小了20%。這表明采用VED對結(jié)構(gòu)進行減振控制的方案是可行的，并且VED裝置不但為結(jié)構(gòu)提供了一定的剛度，使其可以抵抗結(jié)構(gòu)變形，更為結(jié)構(gòu)提供了較大的阻尼，使結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)幅值得到削減。

圖9為結(jié)構(gòu)在加和未加VED裝置計算得出各樓層的層間位移角，從圖中可以看出，未加VED時，結(jié)構(gòu)的層間位移角在18～28層時超出了規(guī)范的限值要求，且在15和30層有剛度突變。而在加入VED裝置后，結(jié)構(gòu)的層間位移得到了控制，結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范要求。

圖9 Y方向輸入Elcentro波時結(jié)構(gòu)的層間位移角

［1］瞿偉廉，程懋堃，毛增達．設(shè)置粘彈性阻尼器鋼結(jié)構(gòu)高層建筑抗震抗風(fēng)設(shè)計的實用方法［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1998，19(3):42 －49．

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［5］徐趙東，周云，趙鴻鐵．粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，1999，31(3):246 －252．

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［7］張琴．粘彈性阻尼器控制結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的設(shè)計方法［D］．浙江大學(xué)，2003．

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［10］GB50011－2001．建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001:111－118．