鄧 林 沈小璞

(1:黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院，黃山 245041;2:安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥 230601)

0 引言

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)通過增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性來滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗震水準(zhǔn)的要求越來越高，僅僅依靠傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)往往難以做到既經(jīng)濟(jì)又安全.耗能減震技術(shù)通過在結(jié)構(gòu)上附加耗能構(gòu)件，增加結(jié)構(gòu)阻尼，從而減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能［1］.耗能減震技術(shù)是結(jié)構(gòu)抗震一個(gè)新的發(fā)展方向，在我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［2］中，關(guān)于耗能減震技術(shù)已經(jīng)設(shè)置了單獨(dú)的章節(jié)，而最新頒布的建筑消能技術(shù)規(guī)程［3］對(duì)消能減震的設(shè)計(jì)做了更加詳細(xì)的規(guī)范，耗能減震技術(shù)在建筑抗震中的應(yīng)用有著良好的前景.本文提出了一種新型的拉索式阻尼減震機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由拉索、轉(zhuǎn)動(dòng)支座和耗能阻尼器組成.本研究分析了新型機(jī)構(gòu)的位移放大系數(shù)及影響因素，并進(jìn)行了地震作用下的仿真分析.

1 系統(tǒng)組成

阻尼器在結(jié)構(gòu)中常見的布置方式有兩種［4］:一種為水平支撐型如圖1(a);另一種為對(duì)角斜撐型如圖1(b).

作為阻尼減震機(jī)構(gòu)，應(yīng)該能夠有效地將結(jié)構(gòu)變形轉(zhuǎn)化為阻尼器兩端的相對(duì)位移，轉(zhuǎn)換效率可通過位移轉(zhuǎn)換系數(shù)β來進(jìn)行比較

對(duì)于水平支撐型布置，阻尼器位移就等于結(jié)構(gòu)層間位移，位移放大系數(shù)β=1.0;對(duì)于對(duì)角斜撐型布置，位移放大系數(shù)和與水平方向夾角θ有關(guān)，β=cosθ.傳統(tǒng)的兩種阻尼器布置方式雖然構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，但因?yàn)樽枘崞髋c結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件為受壓構(gòu)件，為了滿足承載力的要求，構(gòu)件截面往往較大.為了減小連接構(gòu)件的用鋼量，降低成本，有學(xué)者設(shè)計(jì)了一些新型的減震機(jī)構(gòu)［5－6］，用拉桿代替受壓構(gòu)件，取得了良好的效果.但這些機(jī)構(gòu)構(gòu)造比較復(fù)雜，綜合成本能否降低還有待討論.

在減震機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循兩個(gè)原則:第一是要能夠充分地利用結(jié)構(gòu)變形，有較大的位移放大系數(shù);第二是盡可能地減小阻尼器與結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件.因?yàn)檫B接構(gòu)件的存在一方面會(huì)增加成本，另一方面也可能會(huì)影響到建筑的外觀和使用功能.基于以上兩個(gè)原則，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)拉索式阻尼減震機(jī)構(gòu)(見圖2).

圖1 阻尼器布置方式

圖2 拉索式減震機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成

機(jī)構(gòu)由阻尼器、拉索和轉(zhuǎn)動(dòng)支座三部分組成.當(dāng)結(jié)構(gòu)向右發(fā)生側(cè)移時(shí)，1號(hào)拉索受力，2號(hào)拉索不受力.反之，當(dāng)結(jié)構(gòu)向左發(fā)生側(cè)移時(shí)，2號(hào)拉索受力，1號(hào)拉索不受力.在地震作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)在水平方向左右搖晃，兩根拉索交替受力，帶動(dòng)支座轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使阻尼器發(fā)生運(yùn)動(dòng)，達(dá)到耗能減震的效果.拉索式阻尼減震機(jī)構(gòu)中的主要連接構(gòu)件為兩根拉索，只承受拉力，不考慮抗壓，因此不存在穩(wěn)定性問題，可選用較小截面，充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度.

2 系統(tǒng)性能分析

當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)移時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的變形如圖3所示.

結(jié)構(gòu)側(cè)移為d，相應(yīng)的阻尼器位移為xd，若不考慮拉索變形，兩者之間有如下關(guān)系:

即位移放大系數(shù)

β與α之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出，隨著α的增大，β逐漸減小，當(dāng)α=45°時(shí)，β=1.0，此時(shí)位移轉(zhuǎn)換效率與水平支撐相同.

上述結(jié)論為假定拉索剛性所得到的，若考慮拉索變形，位移轉(zhuǎn)換效率必然有所降低.為進(jìn)一步觀察拉索變形的影響，可假定拉索變形量為δ，引入變量ξ=δ/d，經(jīng)幾何分析可以得到:

分別取ξ=0，0.1，0.2，0.3，0.4，做出位移放大系數(shù)與的函數(shù)曲線，如圖5所示.

圖3 結(jié)構(gòu)變形示意圖

圖4 位移放大系數(shù)曲線

圖5 不同下與曲線

觀察曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮拉索變形時(shí)，位移放大系數(shù)有明顯降低，而且夾角越小，拉索變形的影響越明顯.因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)，不能忽略拉索變形的影響.

3 仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)減震機(jī)構(gòu)的減震效果，對(duì)一個(gè)三層結(jié)構(gòu)［7］進(jìn)行了地震反應(yīng)時(shí)程分析.結(jié)構(gòu)底層安裝新型耗能機(jī)構(gòu)，如圖6所示.

減震機(jī)構(gòu)參數(shù)為:阻尼器選取線性粘滯阻尼器，拉索材質(zhì)為Q235鋼，直徑.地震波選用El Centro波.時(shí)程分析結(jié)果如圖7所示.從時(shí)程分析結(jié)果可以看出，附加減震結(jié)構(gòu)后的位移反應(yīng)和加速度反應(yīng)都明顯小于無控結(jié)構(gòu)，減震效果明顯.

為觀察拉索剛度對(duì)減震效果的影響，對(duì)拉索剛度進(jìn)行了敏感性分析.以直徑10mm拉索剛度k為基準(zhǔn)，以0.1k為間隔(0～0.1k間因變化較快，補(bǔ)充有0.02k，0.05k兩個(gè)點(diǎn))，依次計(jì)算了拉索剛度為0～1k系統(tǒng)的峰值位移響應(yīng)，所得結(jié)果如圖8所示.

圖6 三層框架結(jié)構(gòu)

圖7 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)程

圖8 拉索剛度0～1k系統(tǒng)峰值位移響應(yīng)

從圖8中可以看出，隨著拉索剛度的增加，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的峰值不斷下降.其變化規(guī)律為剛度較小時(shí)，曲線下降迅速，隨著剛度的增大，曲線逐漸趨于平緩.在本例中，剛度超過0.5k以后，繼續(xù)增大拉索剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)基本沒有影響.因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況來合理選擇拉索直徑.

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的阻尼減震機(jī)構(gòu)，對(duì)該機(jī)構(gòu)的位移放大系數(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)一個(gè)安裝有新型結(jié)構(gòu)的層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過本文的計(jì)算和分析，可以得到如下結(jié)論:

(1)和目前常見的阻尼器布置方式相比，新型機(jī)構(gòu)的位移放大系數(shù)較大，能充分利用結(jié)構(gòu)變形來耗能減震;

(2)新型機(jī)構(gòu)中主要連接構(gòu)件為拉索，與傳統(tǒng)的水平支撐和斜撐式布置相比，連接構(gòu)件截面小、用鋼量少，有較好的經(jīng)濟(jì)性;

(3)拉索剛度對(duì)機(jī)構(gòu)的減震性能有明顯影響，在設(shè)計(jì)和計(jì)算中，必須考慮拉索變形;

(4)本文為初步研究，未涉及細(xì)部的構(gòu)造.該減震機(jī)構(gòu)具體構(gòu)造及合理的阻尼器搭配等問題還有待進(jìn)一步研究.

［1］周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制［M］.北京:地震出版社，1997:23－40.

［2］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011－2010)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］建筑消能減震技術(shù)規(guī)程(JGJ 297－2013)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［4］日本隔震結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008

［5］Constantinou MC，Tsopelas P，Hammel W，Sigaher AN.Toggle － brace － damper seismic energy dissipation systems［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127(2):105 －112.

［6］Marshall JD，Charney FA.Seismic response of steel frame structures with hybrid passive control systems［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2012，41(4):715 －733.

［7］Spencer BF，Dyke SJ，Deoskar HS.Benchmark problems in structural control:part I－ active mass driver system［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1998，27(11):1127 －1140.