劉 星，周雪峰，王亞楠

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

基于粘滯阻尼器加固的RC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

劉 星，周雪峰，王亞楠

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

本文建立了5層RC框架結(jié)構(gòu)模型，選取5條典型地震波和2條人工波，對其進(jìn)行抗震性能分析，隨后分別對2層、4層增設(shè)了粘滯阻尼器和1層、3層、5層增設(shè)粘滯性阻尼器的RC框架結(jié)構(gòu)在同樣地震記錄下進(jìn)行抗震性能分析，比較他們之間的加速度響應(yīng)、層間位移、最大層位移以及結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展過程。分析表明：5層RC框架結(jié)構(gòu)配置了粘滯阻尼器后，地震加速度響應(yīng)、層間位移以及各層最大位移都明顯減小，粘滯阻尼器達(dá)到有效地減震效果。對于多層RC框架結(jié)構(gòu)，阻尼器應(yīng)當(dāng)避免從底層配置才能達(dá)到最優(yōu)的控震效果。

框架結(jié)構(gòu)；粘滯阻尼器；抗震性能

RC框架結(jié)構(gòu)因其具有結(jié)構(gòu)空間布置自由且造價合理的特點(diǎn)而在我國建筑工程中被廣泛使用，但其在地震作用下的抗震性能卻一直飽受爭議，特別是強(qiáng)震作用下，RC框架結(jié)構(gòu)未能抵抗地震破壞的例子不在少數(shù)，這個現(xiàn)象引起了眾學(xué)者的廣泛關(guān)注。如何提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，特別是對于現(xiàn)存的框架結(jié)構(gòu)如何合理加固己成為學(xué)者們研究的重要方向。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究者對此問題積極地開展了研究，D?nmez C[1]研究了土耳其地震中框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，研究表明，梁端部區(qū)域和梁柱連接處時常不能達(dá)到規(guī)范所要求的延性；Ergund S[2]研究了滯回模型對于提高非規(guī)則鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)變形性能的有效性，證實(shí)了根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用適當(dāng)?shù)臏啬Ｐ蛯⑷〉梅e極的效果；Wang D[3]研究了框架結(jié)構(gòu)的加固方法，此方法能有效提高框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，減少其框架結(jié)構(gòu)潛在的震損風(fēng)險；Lin K[4]的研究表明，框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計可能導(dǎo)致其在地震作用下發(fā)生強(qiáng)梁弱柱的危險；胡義[5]在其研究中提出了地震激勵下在役 RC 框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力定量化評價方法；王永貴[6]研究了罕遇地震作用下屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，倒V較單斜布置更能有效降低底層剪力和降低層間位移角，從而降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，更有利于結(jié)構(gòu)消能減震；閤東東[7]對某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用4組不同本構(gòu)關(guān)系的計算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)比較，結(jié)果表明：不同材料模型得到的倒塌初始狀態(tài)及初步發(fā)展趨勢是一致的；王鳳華[8]研究了新型SMA阻尼器的單層框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制，結(jié)果表明：新型SMA阻尼器可以有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；王振興[9]研究了粘彈性阻尼器對框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響分析，研究結(jié)果表明：粘彈性阻尼器可以增加結(jié)構(gòu)的阻尼，抑制結(jié)構(gòu)的振動；李忠獻(xiàn)[10]對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震失效模式的優(yōu)化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：最優(yōu)結(jié)構(gòu)損傷集中得到有效的控制，結(jié)構(gòu)各層損傷分布更加均勻，結(jié)構(gòu)整體損傷減小，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到明顯提高；施煒[11]研究了不同抗震設(shè)防RC框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，結(jié)果表明：按我國抗震規(guī)范設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)在大震作用下基本能夠滿足抗倒塌要求，但在遭遇特大地震時，7度設(shè)防框架的抗倒塌能力明顯存在不足。

綜上所述，國內(nèi)外研究者都認(rèn)為RC框架結(jié)構(gòu)在地震作用下是不安全的，因此，提高其抗震性能具有積極的現(xiàn)實(shí)意義，特別是針對現(xiàn)存框架結(jié)構(gòu)的加固方法的研究頗多，其中采用不同阻尼器減小RC框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)受到廣泛關(guān)注，但目前的研究多針對單層或者高層，而對多層涉及較少，因此，本文將針對多層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)分析，研究粘滯阻尼器的最優(yōu)布置原則從而達(dá)到最佳減震控制效果。

1 結(jié)構(gòu)模型的建立

本文選用某體型規(guī)則的5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為研究對象。其中，各樓層層高均為3.3 m，房屋總高度為16.5 m；場地類別Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為8度0.2 g，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為丙類；梁截面尺寸為250 mm×250 mm，柱截面尺寸為600 mm×600 mm，板厚100 mm；梁、柱材料均采用C30混凝土，縱向受力鋼筋選用HRB400，箍筋選用HPB300；分析時板面恒荷載取5 kN/m2(包含樓板自重)，活荷載取2 kN/m2，建立的模型如圖1所示。

圖1 RC框架結(jié)構(gòu)分析模型

所建模型的前6階振型及其周期如表1所示，其中第1階周期是平動周期為0.348，第3階是扭轉(zhuǎn)周期為0.299，平動周期與扭轉(zhuǎn)周期之比小于0.9，滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的要求，由此可見，本文建立的分析模型是規(guī)則合理的。

2 地震記錄的選取

根據(jù)建筑場地類別和設(shè)計地震分組從某強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫中選取5組實(shí)震記錄并合成2組人工模擬加速度時程曲線，即實(shí)震記錄RSN7-045、RSN9-000、RSN123-000、RSN188-135和RSN51-155、以及人工波SYS01和SYS02，多組時程波的地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線的對比結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線在自振周期0.4 s～1.0 s的范圍內(nèi)，與規(guī)范譜吻合較好。根據(jù)對模型的模態(tài)分析，得到模型的前三階自振周期為0.348 s、0.308 s和0.299 s，在結(jié)構(gòu)主要振型的自振周期點(diǎn)上，平均地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范譜值相差在20%范圍以內(nèi)，并且實(shí)測強(qiáng)震記錄的數(shù)量不少于2/3，所以，本文所選地震波符合規(guī)范的相關(guān)要求。

表1 結(jié)構(gòu)動力特性

本文所選5條強(qiáng)震記錄的相關(guān)信息如表2所示，兩條人工波峰值加速度分別為0.066 1 g和0.079 0 g。

圖2 加速度反應(yīng)譜對比圖 圖3 局部放大圖

編號地震記錄名稱分量年份震級峰值加速度PGA/g5%～95%持時/sRSN7-045NorthwestCalif-02FRN04519416.60.063122.2RSN9-000BorregoELC00019426.50.065937.2RSN123-000Friuli_Italy-01CLV00019766.50.049519.1RSN188-135ImperialValley-06PLS13520106.530.057710.8RSN51-155SanFernandoPVE15519716.610.041554.2

3 RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

為了得到普遍適用的分析結(jié)果，輸入以上所選取的地震加速度，對5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析，計算其地震響應(yīng)。在此只列出在RSN188-135地震記錄作用下，RC框架結(jié)構(gòu)模型各樓層加速度時程圖，如圖4所示。

圖4 各樓層加速度響應(yīng)

在輸入地震作用下，RC框架結(jié)構(gòu)模型各樓層最大位移如圖5所示，各層層間位移如圖6所示。由圖5可知，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的層位移逐層增加，在5層時達(dá)到最大值，達(dá)到609.77 mm。從圖6可知，層間位移除了第5層層間位移2.843 mm以外，其它樓層層間位移均大于規(guī)范規(guī)定對應(yīng)3.3 m層高所要求的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移為6 mm的規(guī)定，不滿足規(guī)范要求。

通過對鋼筋和混凝土這兩種材料的損傷狀態(tài)進(jìn)行定義和標(biāo)識，探討了RC框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷分布和發(fā)展過程，分別定義了材料的破壞準(zhǔn)則，混凝土DL階段(εc=0.002 0)；混凝土SD階段(εc=0.003 3)；鋼筋DL階段(εs=0.002 0)；鋼筋SD階段(εs=0.008 0)在RSN9-000作用下，RC框架結(jié)構(gòu)隨時間推移的損傷發(fā)展過程，結(jié)構(gòu)先從1層邊柱破壞，然后破壞向中間柱延伸，隨之2層和3層的柱子發(fā)生破壞，出現(xiàn)紅色警示，最后1層、2層和3層大部分柱梁失去承載能力，結(jié)構(gòu)完全破壞，失去承載能力。

圖5 各樓層最大位移 圖6 各層層間位移

4 附加粘滯性阻尼器的RC框架結(jié)構(gòu)抗震分析

本文基于當(dāng)前阻尼器的研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究耗能裝置的不同布置對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)減震效果的不同影響。根據(jù)阻尼器布置原則，應(yīng)將耗能阻尼器布置在變形較大的樓層，研究的兩種不同粘彈性阻尼器布置方案。其中工況1，在2、4層布置粘滯性阻尼器。工況2，在1、3、5層布置粘滯性阻尼器。

在所選地震記錄作用下，分析對比工況1與工況2的減震效果，從而得到最優(yōu)布置方式。以下研究結(jié)果以RSN188-135作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)為例做相關(guān)分析。各樓層加速度響應(yīng)圖如圖7所示。各層層間位移如圖8所示。各層最大位移如圖9所示。當(dāng)RC框架結(jié)構(gòu)配置了粘滯性阻尼器后，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)減輕，各樓層加速度，層間位移和層最大位移都相應(yīng)減小，說明阻尼器提高了框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

為進(jìn)一步分析比較工況1與工況2，得到最優(yōu)配置方案，分別探討分析工況1與工況2在地震作用下的損傷分布和發(fā)展過程。在RSN9-000地震作用下，將工況1隨時間推移的損傷發(fā)展過程與工況2隨時間推移的損傷發(fā)展過程對比分析。工況1在地震作用下的破壞僅僅損傷了幾根一層邊柱，而工況2隨著地震作用的時間推移，2層大部分柱子都出現(xiàn)混凝土SD破壞標(biāo)記，使得結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)，因此，工況1較工況2有更好的減震效果。

圖7 各樓層加速度響應(yīng)圖 圖8 各層層間位移

圖9 各層最大位移

5 結(jié) 語

通過對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的分析，以及對采取不同粘滯性阻尼器配置方案的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，重點(diǎn)探討比較各結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)以及各結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展過程，所得主要結(jié)論如下：

(1)5層RC框架結(jié)構(gòu)配置了粘滯阻尼器后，地震加速度響應(yīng)，層間位移以及各層最大位移都明顯減小，粘滯阻尼器達(dá)到有效的減震效果。

(2)通過把粘滯阻尼器配置于結(jié)構(gòu)的不同位置進(jìn)行分析得出，對于多層框架結(jié)構(gòu)，阻尼器應(yīng)當(dāng)避免從底層配置，這樣才能達(dá)到最優(yōu)的控震效果。該結(jié)論可為粘滯阻尼器在實(shí)際結(jié)構(gòu)抗震中的實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計提供借鑒。

[1] D?nmez C. Seismic Performance of Wide-Beam Infill-Joist Block RC Frames in Turkey[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2015,29(1):258-272.

[2] Ergun S, Demir A. Effect of Hysteretic Models on Seismic Behavior of Existing RC Structures[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2015,29(6):382-392.

[3] Wang D,Wang Z,Yu T,et al. Shake Table Tests of Large-Scale Substandard RC Frames Retrofitted with CFRP Wraps before Earthquakes[J].Journal of Composites for Construction,2017,21(1):128-143.

[4] Lin K,Li Y,Lu X,et al.Effects of Seismic and Progressive Collapse Designs on the Vulnerability of RC Frame Structures[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2017,31(1):55-80.

[5] 胡義.地震激勵下在役RC框架結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2013:30-60.

[6] 王永貴,牛海成,謝曉杰.罕遇地震下的屈曲約束支撐框架結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)研究1[J].震災(zāi)防御技術(shù),2016,11(3):528-541.

[7] 閤東東,萬金國,周忠發(fā),等.地震作用下框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌模擬比較研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2014(14):81-85.

[8] 王風(fēng)華,黃襄云,王偉明.應(yīng)用新型SMA阻尼器的單層框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)控制[J].工程抗震與加固改造,2015,37(3):10-14.

[9] 王振興,韓亞強(qiáng).粘彈性阻尼器對框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響分析[J].河北工程大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2009,26(1):34-36.

[10] 李忠獻(xiàn),王虹,呂楊,等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化[J].天津大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)與工程技術(shù)版,2014,47(4):364-370.

[11] 施煒,葉列平,陸新征,等.不同抗震設(shè)防RC框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的研究[J].工程力學(xué),2011,28(3):41-48.

[12] 周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社,1997:120-160.

[13] 建筑抗震設(shè)計規(guī)范:GB50011-2010[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010:149-160.

Study on Seismic Behavior of RC Frame Structures Reinforced by Viscous Dampers

LIU Xing, ZHOU Xuefeng, WANG Yanan

(Xi′an Technological University, Xi′an 710021, China)

In this paper, a 5-story RC frame structure model is established, and five typical ground motion and two artificial ground motion are selected to analyze the seismic performance of RC frame structure. Then, the viscous dampers are installed in floors of RC frame structure. It is analyzed under the same ground motion, and the acceleration response, the inter-layer displacement, the maximum displacement and the damage development process are compared. The results show that the 5-story RC frame structure After installed the viscous dampers, the seismic acceleration response, the inter-layer displacement, and the maximum displacement of the layers are significantly reduced. The viscous dampers achieve effective damping effect. So far the multi-layer RC frame structure is concerned, the damper should avoid to be installed in the first floor, so that optimal control effect can be achieved. This conclusion can provide reference for the practical application and design of viscous dampers in actual RC frame structure.

frame structure; viscous dampers; seismic performance

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.008

TU352

A

1674-5403(2017)04-0032-05

2017-09-20

劉星(1991-)，男，四川成都人，在讀碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的研究.