竇遠明，王大凱

（河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津300401）

黏滯阻尼器在框架核心筒結(jié)構(gòu)中的布置研究

竇遠明，王大凱

（河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津300401）

為研究阻尼器在框架核心筒結(jié)構(gòu)中立面和平面布置差異對減震效果的影響，使用非線性軟件PERFORM-3D結(jié)合框架核心筒結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布機制，對4種阻尼器布置不同的方案輸入3條地震波進行非線性動力時程分析，對比結(jié)構(gòu)的最大層間位移角、最大層剪力、塑性損傷情況、結(jié)構(gòu)總能量分配和滯回耗能在結(jié)構(gòu)高度上的分配，從力、位移和能量的角度綜合尋求阻尼器在框架核心筒結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)布置方案.

框架核心筒；PERFORM-3D；彈塑性時程分析；黏滯阻尼器；減震控制

0 引言

目前，依據(jù)我國抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對消能減震結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時[1]，只是基于力和位移的單一強度指標保障結(jié)構(gòu)的安全，并未考察輸入的地震能量在結(jié)構(gòu)中的分配[2]，尤其是對于框架核心筒結(jié)構(gòu)這種雙重抗側(cè)力體系，阻尼器的布置位置可能改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件分擔的能量和內(nèi)力重分布，需在合適的位置布置阻尼器才能保證結(jié)構(gòu)的合理耗能機制和破壞順序，達到設(shè)計的合理[3].本文采用采用PERFORM-3D軟件在前人研究力和位移的角度基礎(chǔ)上[4-5]，從結(jié)構(gòu)的總輸入耗能分配、各構(gòu)件分配的能量和各構(gòu)件的利用率，為從能量的角度去評價阻尼器的布置提供了便利[6].

1 框架核心筒的傳力機制

學術(shù)界和工程界均認為推覆破壞得到的地震反應具有統(tǒng)計意義[7]，推覆分析逐級、單向持續(xù)的施加側(cè)向力.扶長生、張小勇對框架核心筒結(jié)構(gòu)推覆分析以觀察框架核心筒結(jié)構(gòu)從小震至倒塌全過程結(jié)構(gòu)層間位移和地震剪力分配的規(guī)律來深入研究核心筒筒體和外圍框架的內(nèi)力重分布機理，中震時，結(jié)構(gòu)的框架梁和連梁輕微損壞，內(nèi)力重分布不明顯，大震時底部墻體受拉開裂，剛度減弱，中下部連梁大部分屈服，此時框架分擔剪力的比例增大，此階段連梁屈服，地震剪力從核心筒流向框架結(jié)構(gòu)[8].正是由于框架和核心筒剛度差異，形成了二者共同工作的機制[9]，而阻尼器應布置在結(jié)構(gòu)相對位移和相對速度較大的部位，通過與結(jié)構(gòu)的反向力做功耗散地震輸入的能量，所以可以推測阻尼器布置在框架和核心筒之間可以使結(jié)構(gòu)的耗能減震效果最優(yōu).

2 工程概況及減震方案

本文案例為西北地區(qū)某框架核心筒結(jié)構(gòu)，圖1為建筑立面示意圖，結(jié)構(gòu)高度84.10 m，地下2層，地上20層，其中設(shè)備間在第5層和第20層.抗震設(shè)防烈度8度（0.2 g），設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，建筑抗震設(shè)防類別均為丙類.根據(jù)場地覆蓋層厚度和等效剪切波速，地震安全性評估報告特征周期為0.45 s.

該建筑位于地震高烈度區(qū)（8度0.2 g），如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法會導致截面面積過大、配筋過多，材料花費工程造價大幅度提高，本工程可以嘗試通過合理布置阻尼器來實現(xiàn)消能減震，改善工程指標.對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析，結(jié)構(gòu)在5～14層X向和Y向最大層間位移角較大，本文阻尼器布置采取了如下幾種平面和立面不同的布置方案.

方案1：不布置阻尼器，也可稱為無控方案.

方案2：在框架和核心筒之間布置阻尼器，5～14層連續(xù)布置.

方案3：在框架和核心筒之間布置阻尼器，5、7、9、11、13、14層布置（即5～13層隔層布置）.

方案4：在外框架之間布置阻尼器，5～14層連續(xù)布置.

由于5～14層結(jié)構(gòu)梁柱墻布置類似，為能直觀展示阻尼器布置，僅展示出標準層布置圖，如圖2所示.

圖1 建筑模型示意圖Fig.1 Architectural elevation

圖2 4種方案阻尼器布置示意圖Fig.2 Damper arrangement of four plans

3 計算模型及分析方法

采用非線性軟件PERFORM-3D對該結(jié)構(gòu)進行大震作用下的動力時程分析[10].PERFORM-3D軟件可以在短時間內(nèi)把握結(jié)構(gòu)的抗震性能，是專門用于三維整體結(jié)構(gòu)彈塑性分析的軟件，通過基于變形或者強度的限值狀態(tài)對結(jié)構(gòu)進行非線性分析，支持多種模型.可對結(jié)構(gòu)進行推覆分析和地震時程分析，可輸出結(jié)構(gòu)模態(tài)、位移和力的時程記錄、使用比、塑性損傷、能量平衡等指標.

3.1 材料本構(gòu)

本工程鋼材、鋼筋采用三折線模擬，考慮屈服后強化，屈服后彈性模量與初始彈性模量之比為0.01，極限應變?yōu)?.025.混凝土本構(gòu)采用考慮有強度損失的三折線模型，對應Y（第一屈服點）、U（極限強度點）、L（延性極限點）、R（殘余強度點）、X（最大變形點）位置混凝土的耗能退化系數(shù)分別取1.0、0.9、0.7、0.4、0.3.

3.2 單元模擬

其中連梁采用彎矩-轉(zhuǎn)角鉸進行模擬，連梁模型如圖3所示.核心筒剪力墻采用考慮豎向受壓和受彎的shear wall compound component模擬，shear wall單元采用分層模擬，即一片墻被分成若干混凝土層和若干鋼筋層（混凝土層和鋼筋層均采用纖維模型），剪力墻構(gòu)件模型示意圖如圖4所示.黏滯液體阻尼器采用黏滯桿件單元來進行模擬，采用Perform3d默認的多折線本構(gòu)近似模擬，阻尼器出力100t，阻尼系數(shù)300kN·s/mm2，阻尼指數(shù)0.2，F(xiàn)-D曲線如圖5所示.

圖3 連梁彈塑性模型（彎矩-轉(zhuǎn)角鉸）Fig.3 Model of coupling beam

圖4 分層剪力墻單元示意圖Fig.4 Behavior of shear wall model

圖5 黏滯阻尼器多折線本構(gòu)關(guān)系Fig.5 Basic parameters of fluid damper

3.3 地震波的選取方法

根據(jù)抗震規(guī)范5.1.2條[1]，本文選用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進行選波，根據(jù)場地特征周期，選取Imperial valley-06-159、Chi-Chi-04-2715以及YJK制作的一條人工波，地震波如圖6所示，再對地震波進行調(diào)整幅值處理，加速度峰值取400 gal（8度0.2 g），持時25 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，地震波雙向輸入，峰值加速度按水平方向1∶水平方向2=1∶0.85比例調(diào)整.

圖6 地震波加速度時程曲線Fig.6 Acceleration time-history curves of seismic waves

3.4 模型的一致性對比結(jié)果

建立了結(jié)構(gòu)的PERFORM-3D非線性分析模型，建成后的模型三維視圖及振型圖如圖7所示.與PKPM計算的總質(zhì)量進行對比，質(zhì)量誤差分析見表1所示，PERFORM-3D程序計算出結(jié)構(gòu)前12階結(jié)果，將前三階結(jié)果與SATWE模型進行對比，見表2，兩者在質(zhì)量上幾乎無差異且前三階主振型動力特性非常吻合，說明建立模型與原模型誤差非常小，模型建立正確.

圖7 結(jié)構(gòu)前三階振型形態(tài)Fig.7 First three mode of vibration

表1 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比Tab.1 Comparison of structural masses

表2 結(jié)構(gòu)周期對比Tab.2 Comparison of structure periods

4 罕遇地震下的效果評估

4.1 最大層間位移角和最大層剪力對比

由于X向和Y向最大層間位移角和最大層剪力走勢相似，僅以X向為例.如圖8所示，對比X向最大層間位移角可知，不同的波的最大層間位移角差別很大，其中人工波和其他兩波在相同的地震加速度幅值的情況下，位移角明顯要小.在Imperial valley波作用下，布置阻尼器的相鄰樓層位移角有明顯變大的現(xiàn)象，而其他兩波并沒有.在布置阻尼器的樓層，最大層間位移角方案2小于方案4，方案4要小于方案3，方案3小于無控方案.

圖8 X向最大層間位移角Fig.8 Maximum story drift of the structure in X-direction for different waves

3波的最大層剪力走勢和大小幾乎相同，故僅列出Imperial valley波最大層剪力，如圖9所示.在臨近布置阻尼器的樓層，最大層剪力有反而變大的趨勢，說明布置阻尼器之后，層剪力有流向未布置阻尼器樓層的趨向.未連續(xù)布置阻尼器的方案3在與布置阻尼器樓層相鄰的樓層最大層剪力有突變現(xiàn)象，這可能造成未布置阻尼器的樓層因承擔過多的剪力而超出承載力，這種現(xiàn)象可以進一步通過優(yōu)化阻尼器立面布置去改善，阻尼器在條件允許的情況下應連續(xù)布置.在布置阻尼器的樓層，最大層剪力方案2要小于方案4，方案4要小于方案3，方案3小于方案1.

圖9 Imperial valley波作用下最大層剪力Fig.9 Maximum story shear force of the structure for Imperial valley wave

從力和位移的角度，在結(jié)構(gòu)立面上阻尼器連續(xù)布置減震效果好于隔層布置，阻尼器數(shù)量越多減震效果越好；在平面上，阻尼器布置在框架核心筒之間比布置在外框架中間減震效果好.

4.2 塑性損傷

如圖10所示，10 s時，無控結(jié)構(gòu)的構(gòu)件吸收了大量能量，連梁、核心筒底部以及變剛度處的損傷已經(jīng)非常嚴重，而其他3種方案由于阻尼器吸收了大部分地震能量，構(gòu)件的塑性損傷并不嚴重，但各有不同，方案2和方案3對比，方案3較方案2的底部核心筒區(qū)域損傷要嚴重，方案3底部區(qū)域有很多剪力墻已經(jīng)達到70%以上的使用率，甚至有的超過100%.變剛度處的塑性損傷比方案2稍大一點，其他部位的損傷幾乎相同，方案2和方案3的阻尼器均布置在5～14層，區(qū)別是方案3是隔層布置，但是塑性損傷的加劇卻發(fā)生在核心筒的底部，而不是核心筒的中部5～14層處，原因可能是方案3阻尼器隔層布置導致核心筒中部的耗能能力小，地震能量就會從核心筒中部轉(zhuǎn)移到底部，導致核心筒底部受損嚴重，框架核心筒結(jié)構(gòu)中間部位的耗能能力也直接影響結(jié)構(gòu)其他部位的損傷情況.

方案2和方案4對比，方案2在布置阻尼器的層數(shù)外框架的使用率很低，幾乎都沒有超過70%，但是方案4（在外框架布置阻尼器）的外框架使用率大部分都超過100%，對于框架核心筒結(jié)構(gòu)，阻尼器吸收了很大一部分能量，導致周圍的外框架產(chǎn)生很大的應力和變形，而阻尼器布置在框架核心筒之間且一端布置在剛度較大的核心筒附近，就不會發(fā)生這種現(xiàn)象，所以對于框架核心筒結(jié)構(gòu)，阻尼器在允許的情況下應盡量布置在框架與核心筒之間，這樣可以使減震效果好，且不會影響外框架的使用功能.

圖10 4種方案在10 s時的塑性損傷對比Fig.10 Plastic damage of four plans with dampers

4.3 總輸入能的分布

由表3和表4可知，3條波在4個方案中的塑性耗能略有不同，但差別不大，布置阻尼器的方案塑性耗能占比均大大減小.塑性耗能均呈現(xiàn)方案1＞方案3＞方案4＞方案2的規(guī)律，3條波在4個方案中的阻尼器耗能略有不同，但相差不大，阻尼器耗能均呈現(xiàn)方案3＜方案4＜方案2的規(guī)律，對于同一種波來說，整體塑性耗能占比從大到小的順序為無控結(jié)構(gòu)方案、框架核心筒之間隔層布置阻尼器方案、外圍框架之間連續(xù)布置阻尼器方案、框架核心筒之間連續(xù)布置阻尼器方案.阻尼器耗能占比從小到大的順序為框架核心筒之間隔層布置阻尼器方案、外圍框架之間連續(xù)布置阻尼器方案、框架核心筒之間連續(xù)布置阻尼器方案.

表3 不同方案不同波的塑性耗能占比Tab.3 Plastic energy consumption ratio

表4 不同方案不同波的阻尼器耗能占比Tab.4 Damper energy consumption ratio

從結(jié)構(gòu)塑性耗能和阻尼器耗能占總輸入能比的角度考慮，在立面上阻尼器連續(xù)布置要比非連續(xù)布置減震效果好，在平面上阻尼器布置在框架核心筒之間要比布置在框架之間減震效果好.

4.4 滯回耗能比沿高度分配

結(jié)構(gòu)通過阻尼耗能和自身的變形引起滯回耗能來抵抗地震能量輸入，每層各類構(gòu)件滯回耗能在該類構(gòu)件滯回耗能中所占的比重定義為滯回耗能比：

滯回耗能比在一定程度上反映了各構(gòu)件滯回耗能沿高度分布的規(guī)律[11].

1）由圖11可知，剪力墻底部是剪力墻的主要耗能區(qū)域，剪力墻底部3層可占總剪力墻滯回耗能的50%左右，隨著層高增加，剪力墻耗能比逐漸減小，可以認為上部剪力墻幾乎不參與耗能[12].剪力墻耗能比的走勢與最大層剪力分布較為相似，在5～14層布置阻尼器的層數(shù)耗能比的大小為方案2＜方案3＜方案1，4種方案下剪力墻耗能比的分布與結(jié)構(gòu)塑性損傷的分布規(guī)律也一致，在結(jié)構(gòu)塑性損傷嚴重的部位，耗能比相對較大.

2）圖12為連梁耗能沿高度的分布圖，連梁耗能比呈現(xiàn)底部較大，中部最大，頂部較小的走勢，中部耗能比較大的原因有兩方面：一是該部位是裙房和主體連接的部位，引起應力集中，吸收的地震能量較大，導致連梁耗能比較大，二是，該部位恰好越過了核心筒底部加強區(qū)，核心筒在這個部位較底部剛度減弱，連梁承擔的能量變多，導致該部位連梁耗能比增加.方案3的連梁耗能比在結(jié)構(gòu)上部要明顯小于其他2個方案，原因是阻尼器布置在框架梁之間，吸收了部分地震能量，框架梁的變形為連梁分擔了一部分能量，導致上部框架損壞嚴重，這點與圖10展示的塑性損傷情況和表3、表4所展示的各個構(gòu)件耗能占比得出的結(jié)論是一致的.

3）由圖13可知，框架梁的滯回耗能比在結(jié)構(gòu)高度上分配較為平均，頂部框架耗能比較小，但在結(jié)構(gòu)的中下部有突變，可能有兩個原因：原因一是結(jié)構(gòu)在此處為主體和裙房的連接處，吸收了大量的地震能量，原因二是因為該部位越過了核心筒的加強區(qū)，框架也突然開始分擔較大比例的能量，導致耗能比突增.方案4與其他3種方案相比，框架梁在上部的滯回耗能比較大，這是因為阻尼器布置在框架梁之間吸收了大量的地震能量，導致框架梁的耗能比增大.

圖11 剪力墻滯回耗能比Fig.11 Energy dissipation ratio of shear wall

圖12 連梁滯回耗能比Fig.12 Energy dissipation ratio of coupling beam

圖13 框架梁滯回耗能比Fig.13 Energy dissipation ratio of frame beam

5 結(jié)論

1）在立面上連續(xù)布置阻尼器的減震結(jié)構(gòu)在布置阻尼器的5～14層最大層間位移角和最大層剪力均小于無控結(jié)構(gòu)，但在布置阻尼器的相鄰層有反而增大的趨勢.隔層布置阻尼器時樓層剪力有突變現(xiàn)象，從力和位移的角度考慮，在平面上阻尼器布置在框架和核心筒之間的減震效果要好于布置在外框架之間，在立面上阻尼器連續(xù)布置的減震效果要好于隔層布置，阻尼器布置越多減震效果越好.

2）布置阻尼器的方案在布置阻尼器的樓層各構(gòu)件塑性損傷情況均比不設(shè)阻尼器的方案要小，阻尼器在框架和核心筒之間不連續(xù)布置可能使框架核心筒中部位置耗能能力減小從而導致底部核心筒部位的損傷情況加重.阻尼器布置在外框架之間可能使外框架吸收大量地震能量，導致外框架破壞嚴重，阻尼器在框架核心筒之間連續(xù)布置可以減輕該部位連梁和剪力墻的破壞.

3）布置阻尼器均可以大大減小結(jié)構(gòu)的塑性耗能.對于同一種波，塑性耗能占比從大到小的順序為無控結(jié)構(gòu)方案、框架核心筒之間隔層布置阻尼器方案、外圍框架之間連續(xù)布置阻尼器方案、框架核心筒之間連續(xù)布置阻尼器方案.阻尼器耗能占比從小到大的順序為框架核心筒之間隔層布置阻尼器方案、外圍框架之間連續(xù)布置阻尼器方案、框架核心筒之間連續(xù)布置阻尼器方案.從結(jié)構(gòu)塑性耗能和阻尼器耗能占總輸入能比的角度考慮，在立面上阻尼器連續(xù)布置要比非連續(xù)布置減震效果好，在平面上阻尼器布置在框架核心筒之間要比布置在框架之間減震效果好.

4）剪力墻、連梁和框架梁的滯回耗能比沿高度分布差別較大，剪力墻底部滯回耗能比較大，上部滯回耗能比較??；連梁的中部滯回耗能比較大，底部次之，上部較?。豢蚣芰旱臏睾哪鼙妊馗叨容^為平均，中下部變剛度處有突變；阻尼器的不連續(xù)布置可能導致滯回耗能比突變，阻尼器布置在外框架之間可能導致框架梁上部的滯回耗能比增大，阻尼器連續(xù)的布置在框架梁和核心筒之間可使該部位的連梁和剪力墻滯回耗能比減小.從滯回耗能沿高度上分布的角度考慮，阻尼器連續(xù)布置減震效果要好于隔層布置，布置在框架核心筒之間減震效果要好于布置在外框架之間.

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[責任編輯 楊屹]

Damping effects of frame-core tube structure with fluid viscous damper

DOU Yuanming,WANG Dakai
（School of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

To evaluate the effects of a frame-core tube structure,finite element analysis software PERFORM-3D was used in the analysis.With the theory of transmission mechanism and the mechanism of redistribution of internal force,the dynamic nonlinear time-history analysis of a frame-core tube structure in the northwestern region of china was done.Other three schemes were compared considering the different arrangements of fluid dampers in flat and fa?ade surfaces.The maximum story drift,story shear force,plastic damage of the frame-core tube,energy distributionand hysteretic energy consumption in height were compared,and the best arrangement of fluid dampers were found in the frame-core tube structure.

frame-core tube structure;PERFORM-3D;elastic-plastic analysis;viscous damper;vibration control

TU352.1

A

1007-2373（2017）02-0105-08

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.02.018

2016-11-02

河北省交通運輸廳科技計劃項目（Y-2012046）

竇遠明（1956-），男，教授.通訊作者：王大凱（1989-），男，碩士研究生，dk20101027@163.com.