摘要：基于基礎(chǔ)隔震體系的動力特性提出將阻尼器安裝在框架結(jié)構(gòu)底部樓層的優(yōu)化布置策略。首先通過計算場地特征頻率ω與減震結(jié)構(gòu)底部隔震層固有頻率ωn的比值初步確定結(jié)構(gòu)底部安裝阻尼器的樓層數(shù)；隨后針對減震結(jié)構(gòu)層間位移容許值，通過幾次簡單的試算即可最終確定所需的阻尼器數(shù)量及其安裝位置。采用Etabs和Perform-3D兩種分析軟件，選取2條實際強震紀(jì)錄和1條人工模擬的加速度時程曲線對一棟10層的減震結(jié)構(gòu)進行了彈性和彈塑性時程分析，表明在底部樓層安裝阻尼器的減震結(jié)構(gòu)具備與基礎(chǔ)隔震體系類似的動力特性。

關(guān)鍵詞：阻尼器； 基礎(chǔ)隔震； 層間位移； 優(yōu)化布置； 時程分析

中圖分類號：TU375.4；TU352.1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0020-07

消能減震技術(shù)在現(xiàn)代建筑中越來越得到重視^[1]，其常規(guī)設(shè)計方法是將阻尼器安裝在允許的位置，采用結(jié)構(gòu)分析軟件進行動力時程分析或靜力非線性分析，驗算其是否滿足規(guī)范要求。此方法在兩個方面存在不足：1）阻尼器安裝位置并不理想，不能很好的發(fā)揮其減震效果，且確定所需阻尼器數(shù)量的計算量較大；2）對建筑空間的利用存在較大影響。針對以上問題，學(xué)者們進行了大量研究，提出了相應(yīng)的對策。

Kim等^[2-3]在2003年和2006年采用能力譜方法分別針對粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器減震結(jié)構(gòu)，提出了確定所需附加阻尼比的方法。周云等^[4]也做了類似的研究，基于頂點位移可以直接確定所需附加阻尼比的大小，避免了反復(fù)試算。但仍假定阻尼器在結(jié)構(gòu)各層中均勻分布，或無控結(jié)構(gòu)層間位移大小、各層基本振型位移大小按比例分布；且該方法受到pushover方法適應(yīng)范圍的限制，而人們認(rèn)為采用層間位移評價結(jié)構(gòu)的抗震性能更為可靠。針對阻尼器優(yōu)化布置問題學(xué)者們更是進行了大量的研究^[5-11]，但由于優(yōu)化理論較為復(fù)雜而難以推廣。目前設(shè)計者主要還是依據(jù)規(guī)范來指導(dǎo)消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計，規(guī)范認(rèn)為阻尼器安裝在層間位移較大的樓層耗能效果較好^[12-13]，但結(jié)構(gòu)安裝阻尼器以后，結(jié)構(gòu)的薄弱層可能改變。

本文基于基礎(chǔ)隔震理論提出了一種阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置策略，只需選擇較少的阻尼器，安裝在結(jié)構(gòu)底部2層，或者3層即可取得滿意的減震效果。

3.2阻尼器布置策略

擬在結(jié)構(gòu)底部隔震層安裝粘滯阻尼器，則隔震層水平剛度為該層框架柱的抗側(cè)剛度。假定隔震層數(shù)量分別為1、2、3層，則由振型分析知隔震層的固有頻率分別為27.20、16.65、12.00；場地特征周期Tg為0.35，則ω/ωn值分別為0.660、1077、1495。由圖2和圖3可知，如將該框架結(jié)構(gòu)底部2層或3層作為隔震層，安裝粘滯阻尼器將使被隔震樓層相對加速度s衰減，而使結(jié)構(gòu)薄弱層層間位移大幅減小，從而取得較好的減震效果。

3.3分析驗證

3.3.1彈性時程分析將粘滯阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)底部2層，如圖6（a）所示，每層安裝阻尼器20個，分成5種工況，列于表2。選擇峰值加速度為341.7 cm/s2的ELCentro波，如圖7（a）示，用有限元程序Etabs對不同工況進行多遇地震下的時程分析，峰值加速度設(shè)定為110 cm/s2，繪制不同工況下結(jié)構(gòu)最大層間位移角曲線如圖8（a）所示。工況2時，薄弱層位置在第2層，最大層間位移角為1/596，已滿足規(guī)范要求。假定層間位移角限值為1/800，則需增大阻尼器的阻尼系數(shù)，然工況4時，對上部樓層的隔震作用已趨于穩(wěn)定；圖8（a）中工況5和工況4從第3層到第10層的層間位移角曲線基本層疊，此時薄弱層在第3層，大于假定的位移角限值。于是將底部3層設(shè)為隔震層，每層阻尼器數(shù)量仍為20個，如圖6（b）所示，增加工況6和工況7列于表2。圖8中兩條虛線為工況6和工況7的時程分析結(jié)果，由于此時ω/ωn增至1.495，由圖3可知當(dāng)隔震層阻尼比增至一定程度可使Ra減至0.1，甚至更小，因此工況7的最大層間位移角明顯減小。表3列出了各種工況下樓層剪力和隔震層框架柱承擔(dān)的剪力，可見隨著∑cb增加，結(jié)構(gòu)層剪力或隔震層框架柱承擔(dān)的總剪力呈下降的趨勢。在消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計加固中，不光要驗算層間位移是否滿足規(guī)范，尚需對樓層剪力、承受阻尼器軸力的梁柱節(jié)點進行驗算，限于篇幅在此不詳述。

另外選用了1條峰值加速度為556.96 cm/s2的Northridge波和1條峰值加速度為37.14 cm/s2的人工波，如圖7（b）、（c）所示，對不同工況進行了多遇地震下的時程分析，并繪制最大層間位移角曲線如圖8（b）和圖8（c）所示。圖8（b）中工況4與工況5的減震效果比較接近，與圖8（a）情形類似，而圖8（c）中工況5的減震效果明顯優(yōu)于工況4。這是因為人工波輸入的地震能量較?。粡椥詴r程分析時盡管將3條地震波的峰值加速度都設(shè)定為110 cm/s2，但減震結(jié)構(gòu)在人工波作用下的地震響應(yīng)明顯較小。由阻尼比計算公式^[7]知，盡管安裝的阻尼系數(shù)相同，但阻尼比大小與層間位移相關(guān)。同樣地，工況7取得了更好的減震消能效果?？梢?，由3條地震波、7種工況的彈性時程分析結(jié)果表明，基于隔震系統(tǒng)的動力特性提出阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置策略取得了預(yù)期的減震效果。

等效為阻尼耗能；2）抗側(cè)力構(gòu)件屈服后剛度將減小。

采用非線性分析軟件Perform-3D對工況2、4、5、6和7等5種工況進行了罕遇地震下的彈塑性時程分析，此時將峰值加速度設(shè)定為510 cm/s2；分析結(jié)果反映了隔震體系的動力特性，也進一步驗證了基于隔震理論提出阻尼器優(yōu)化布置策略的有效性。但要確定非線性變形耗能與抗側(cè)力構(gòu)件屈服后剛度的變化十分困難，因此本節(jié)只做定性分析。圖9分別為Elcentro波、Northridge波和人工波作用下最大層間位移角曲線。

由圖9（a）、（b）、（c）3個曲線圖看出，不同工況在罕遇地震作用下表現(xiàn)出與多遇地震下完全不同的減震耗能特征。在圖9（a）中，工況2的薄弱層出現(xiàn)在底層，其余4種工況的薄弱層出現(xiàn)在第5層；工況4的減震效果好于工況5，工況6的減震效果好于工況7。圖9（b）中，工況2的減震效果優(yōu)于工況4，而工況4的減震效果好于工況5；同樣工況6的減震效果優(yōu)于工況7。圖9（c）中，工況2的減震效果最差，但薄弱層出現(xiàn)在底層；工況4的減震效果同樣好于工況5；而工況7的減震效果優(yōu)于工況6。這實質(zhì)上正是隔震體系動力特性的表現(xiàn)，圖3表明，當(dāng)ω/ωn值大于1.414 2時，隔震裝置阻尼比ζ增加，Ra呈不同變化趨勢。減震結(jié)構(gòu)底部隔震層抗側(cè)力構(gòu)件進入彈塑性后，其固有頻率ωn減小，使ω/ωn值增加，于是便呈現(xiàn)出圖9所示不同的減震效果。因此減震結(jié)構(gòu)底部隔震層數(shù)的確定，安裝阻尼器的數(shù)量主要由彈性時程分析確定，而通過彈塑性時程分析對減震結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的變形驗算確保其大震不倒或指定的性能需求。

4結(jié)論

在底部樓層安裝阻尼器的減震結(jié)構(gòu)可以用基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)運動方程表示，因而具備隔震體系類似的動力特性；但是并不會因場地特征頻率ω與減震結(jié)構(gòu)底部隔震層固有頻率ωn之比ω/ωn值在1附近而使被隔震樓層的地震響應(yīng)放大，相反會隨著隔震層阻尼比ζ的增加使被隔震層s迅速衰減，可當(dāng)阻尼比增大到一定程度后，Ra會趨于穩(wěn)定；而當(dāng)ω/ωn值大于1.414 2時，情況變得復(fù)雜，ω/ωn處于不同的區(qū)域隨著阻尼比增加呈現(xiàn)截然不同的減震效果。

論文基于基礎(chǔ)隔震體系的動力特性提出阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化布置策略，并通過彈性時程分析對無控和7種有控工況，以及彈塑性時程分析對5種有控工況對此優(yōu)化策略進行了分析驗證，可以得到以下結(jié)論：

1） 將阻尼器安裝在房屋結(jié)構(gòu)的底部可以取得較好的減震效果，這樣可減少安裝阻尼器的位置，使建筑空間得到更好的利用。

2） 減震結(jié)構(gòu)底部安裝阻尼器樓層的數(shù)量可通過計算ω/ωn值確定，框架結(jié)構(gòu)一般為2～3層；所需阻尼器的數(shù)量主要由彈性時程分析確定。

3） 隔震體系的動力特性和對底部樓層安裝阻尼器減震結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性時程分析表明，在合適的位置安裝適量的阻尼器即可取得很好的減震效果，并不是越多越好。

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（編輯王秀玲）