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        粘滯阻尼墻用于裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架結(jié)構(gòu)減震研究

        2019-06-17 07:46:22劉天洋
        四川水泥 2019年3期
        關鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

        胡 倩 劉天洋

        (武漢華夏理工學院 土木建筑工程學院 430223)

        0 引言

        裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑具有工業(yè)化程度高,節(jié)能、綠色等優(yōu)點[1-2],發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)符合我國 “積極推廣綠色建筑和建材,大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑,提高建筑工程標準和質(zhì)量”的方針策略。裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架結(jié)構(gòu)是一種新型鋼結(jié)構(gòu)體系,此結(jié)構(gòu)體系突破了鋼結(jié)構(gòu)體系只適用于多層建筑的限制,實現(xiàn)了向高層建筑的發(fā)展。由于裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架結(jié)構(gòu)中斜撐的作用,提高結(jié)構(gòu)剛度的同時使其延性降低,因此非常有必要對這種新型結(jié)構(gòu)體系進行減震性能分析。

        粘滯阻尼墻是像墻體一樣安裝在結(jié)構(gòu)中的新型粘滯阻尼裝置,通過墻體內(nèi)的粘滯液體發(fā)生剪切吸收地震能量,具有較大的阻尼力、消耗能力強、運用廣泛等優(yōu)點,多適用于多高層建筑的消能減震。本文通過建立裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架有限元分析模型,對比分析未安裝粘滯阻尼墻和安裝粘滯阻墻結(jié)構(gòu)的地震效應。

        1 工程實例

        該工程為 21 層結(jié)構(gòu)建筑,對結(jié)構(gòu)建模分析時,為減少計算結(jié)果受結(jié)構(gòu)不規(guī)則的影響,使結(jié)構(gòu)布置更加合理化,簡化了結(jié)構(gòu)的實際平面圖,結(jié)構(gòu)橫縱都為6跨,長為23.4m,層高為3.3m,結(jié)構(gòu)從下往上均分為3段,每段7層,各樓結(jié)構(gòu)基本一致。

        2 計算分析

        2.1 模態(tài)分析

        在SAP2000建模時,結(jié)構(gòu)使用線單元模型分析,柱與斜支撐和撐腳以及梁與柱之間為剛性連接,柱與地面之間為剛性連接。桁架梁上、下弦為兩段連續(xù)的壓彎構(gòu)件,腹桿與梁之間的連接為鉸接。

        對有限元模型進行模態(tài)分析,得到結(jié)構(gòu)的振型和自振周期。第1階振型為Y方向整體平動,第2階振型為X方向整體平動,第3階振型為整體扭轉(zhuǎn);計算分析前30階振型質(zhì)量參與系數(shù)X、Y、Z方向分別為96.4%、95.8%、99.2%大于等于90%,結(jié)果符合設計規(guī)范的要求;結(jié)構(gòu)的基本自振周期 3.01s,符合 GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定:T1= (0.10 ~ 0.15)n=(0.21~0.315); (T1為建筑結(jié)構(gòu)的基本自振周期,n 為建筑總層數(shù))。前3階自振周期如表1所示。

        表1 結(jié)構(gòu)自振周期/s

        2.2 不同布置方案下粘滯阻尼墻的減震性能研究

        本文粘滯阻尼墻模型是通過將多個粘滯阻尼器串聯(lián)建立起來,通過設置粘滯阻尼墻在不增加結(jié)構(gòu)剛度的前提下加大結(jié)構(gòu)阻尼。阻尼墻布置在結(jié)構(gòu)的四個邊角處,為了對比分析粘滯阻尼墻在不同布置工況下的減震效果,將21層裝配式斜支撐鋼框架結(jié)構(gòu)分為3段,每段7層采用3種不同的布置工況。

        工況一:第一段(1~7層)布置共56片粘滯阻尼墻。

        工況二:第一段和第二段(1~14層)布置共112片粘滯阻尼墻。

        工況三:全部樓層布置共168片粘滯阻尼墻。

        對裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架建筑進行非線性時程模態(tài)分析得到軸力最大桿件,將此桿件和頂層最大位移作為評價對象,研究粘滯阻尼墻對裝配式斜支撐鋼框架的減震效果。對原結(jié)構(gòu)以及三種工況分別輸入 EL-centro波進行非線性時程分析,數(shù)據(jù)如表2所示。

        對比工況一、工況二和工況三,阻尼墻數(shù)量越多,減震控制效果越好;工況二從底層開始連續(xù)布置 2 /3樓層阻尼墻在保證減震效果的前提下具有更好的經(jīng)濟效益。

        2.3 不同地震波作用下設置粘滯阻尼墻的減震性能研究

        為了驗證粘滯阻尼墻在裝配式斜支撐框架結(jié)構(gòu)中的減震性能,現(xiàn)在選取 三條波,分別是蘭州波1(人工波)、EL-centro波(天然波)和 Taft 波 2 (天然波),取這三條波的前30s分別輸入原始結(jié)構(gòu)、工況一結(jié)構(gòu)、工況二結(jié)構(gòu)和工況三結(jié)構(gòu)。由上述分析可知結(jié)構(gòu)的動力性能在X向和Y向比較接近,故本文僅以結(jié)構(gòu)X 向頂層位移最大值和結(jié)構(gòu)的最大層間位移做對比分析。數(shù)據(jù)如表3所示。

        表2 不同工況下結(jié)構(gòu)響應

        表3 3種地震波作用下結(jié)構(gòu)響應

        通過對比表3,工況一從底層開始連續(xù)布置 1 /3樓層阻尼墻,X 向頂層位移最大值減小幅度為12.4%~22.7%;工況二從底層開始連續(xù)布置 2 /3樓層阻尼墻,X 向頂層位移最大值減小幅度為45.8%~56%;工況三從底層開始到頂層連續(xù)布置阻尼墻,X 向頂層位移最大值減小幅度為61.6%~64.7%??梢娫O置粘滯阻尼墻后,結(jié)構(gòu)的頂層最大位移都顯著降低,可見阻尼墻具有很好的減震性能。

        無控制結(jié)構(gòu)方案中在三種地震波的作用下最大層間位移角限值均不滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求,規(guī)程中規(guī)定高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移標準值,不得超過結(jié)構(gòu)層高的1/250。

        工況一下結(jié)構(gòu)的最大層間位移明顯降低,但是在EL-centro波作用下的位移角限值依然不滿足規(guī)范要求。

        工況二和工況三減震效果接近,但是相比工況一減震效果比較顯著,在三種地震波的作用下最大層間位移角限值均滿足規(guī)范要求。

        3 結(jié)論

        1.裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架在設置粘滯阻尼墻后,結(jié)構(gòu)的頂層最大位移和結(jié)構(gòu)的最大軸力均顯著降低,可見粘滯阻尼墻可以有效的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

        2.輸入不同地震波研究粘滯阻尼墻的減震性能可以看出,在不同地震波作用情況下,減震效果都比較顯著,說明阻尼墻的減震性能受地震波類別影響不大。

        3.通過三種工況對比分析可以看出,阻尼墻布置數(shù)量越多,其的減震效果越明顯;工況二的減震效果明顯優(yōu)于工況一,但是繼續(xù)增加阻尼墻的布置數(shù)量,工況三的減震效果較工況二變化不大;結(jié)合經(jīng)濟效益,可見工況二布置方案下的結(jié)構(gòu)減震性能最優(yōu)。

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