Nika 朱華年 方 鑫 盧文勝

(同濟大學,上海 200092)

0 引言

在抵抗水平地震和風荷載作用時，現(xiàn)代建筑已逐漸從單純提高剛度和強度轉(zhuǎn)變?yōu)檫m度增加變形與耗能性能，越來越多的高性能柔性結(jié)構(gòu)得到設計和應用。國際上，建筑結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設計與評估成為研究熱點，不僅是結(jié)構(gòu)安全性能，而且對建筑結(jié)構(gòu)的舒適性、功能性和經(jīng)濟性提出了更高的要求[1]，也開始影響主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耦合設計[2,3]。

以某長周期高層建筑為工程背景，其外玻璃幕墻的支撐系統(tǒng)為大型復雜非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，經(jīng)過仔細研究后可以對其進行優(yōu)化[4,5]。此非結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過吊桿懸掛在加強層上，可傳導和承受豎向地震作用反應位移；地震時，若吊桿受壓屈曲，可能導致懸掛在吊桿上的玻璃面板損壞，從而構(gòu)成安全威脅和功能喪失，造成巨大的經(jīng)濟損失[6]。

研究認為，該大型復雜非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學行為具有一定的結(jié)構(gòu)化趨勢，其對荷載和位移的傳遞作用以及阻尼分布等可能影響主體結(jié)構(gòu)的性能。為了確保地震時吊桿始終保持受拉，區(qū)別于原建筑中無摩擦軸套加附加質(zhì)量的設計思路，作者使用非對稱阻尼器，并進行了相關(guān)力學性能研究分析[7,8]。

據(jù)此建立帶有非對稱阻尼器的柔性結(jié)構(gòu)的OpenSees模型，研究無阻尼器、帶粘滯阻尼器或摩擦阻尼器的整體結(jié)構(gòu)地震反應，分析柔性結(jié)構(gòu)中次結(jié)構(gòu)對主結(jié)構(gòu)的影響，驗證增設非對稱阻尼器對結(jié)構(gòu)抗震性能的有利作用。

1 柔性結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

常見的阻尼器在外力或者位移作用下保持力學性能的對稱性。本研究涉及吊桿這種具有單向受力特征的構(gòu)件，因此設法將阻尼器滯回曲線沿力軸適當偏移，并將此命名為非對稱阻尼器，包括非對稱粘滯阻尼器(簡稱為AsVD)和非對稱摩擦阻尼器(簡稱為AsFD)，類似于汽車工程中使用的減震器。

采用OpenSees建立長周期柔性結(jié)構(gòu)的簡化模型。對該類結(jié)構(gòu)模型進行了許多分析、測試和簡化，其中大多數(shù)采用了復雜的三維模型[7,8]。與三維模型和實際結(jié)構(gòu)本身相比，通過二維建模聚焦柔性結(jié)構(gòu)地震反應的關(guān)鍵特征，并重點模擬非對稱阻尼器的關(guān)鍵影響，總體分析結(jié)果是合理可信的。

在OpenSees中構(gòu)建三種模型。第一種:將整體結(jié)構(gòu)簡化為柔性懸臂柱，頂部等效集中質(zhì)量，結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總于表1中。無阻尼器柔性結(jié)構(gòu)的基本模型(簡稱為BSS)如圖1a)所示；第二種:使用AsVD，通過帶有AsVD的次結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件與主結(jié)構(gòu)連接(簡稱為VSS)，如圖1b)所示；第三種:與第二種類似，為采用AsFD的結(jié)構(gòu)模型(簡稱為FSS)。

表1 主體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 帶有非對稱阻尼器的柔性結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)自振周期

BSS模型的自振周期為9.48 s。在增設阻尼器后，整體結(jié)構(gòu)阻尼比對系統(tǒng)周期的影響可忽略不計，計算結(jié)果顯示VSS模型自振周期仍為9.48 s，而FSS模型自振周期減小為9.25 s，見表2。

2.2 地震波輸入

基于原結(jié)構(gòu)設計規(guī)范及地質(zhì)勘探報告等，選取四種地震波輸入[4,5]。對簡化的二維模型，僅選取產(chǎn)生最不利反應的單向地震波。由于較高水準的地震波會引起非線性反應(本研究未考慮)，因此采用基本地震水準。地震波輸入?yún)?shù)如表3所示，時程曲線及反應譜如圖2所示。

表2 結(jié)構(gòu)自振周期 s

表3 地震波輸入

2.3 位移反應

在MEX地震波激勵下，可看出使用阻尼器減小了結(jié)構(gòu)位移反應幅值。其中最大水平位移為0.69 m，VSS模型的效果要比FSS模型稍差。

但在US地震波激勵下，使用阻尼器的結(jié)構(gòu)位移反應反而增大，原因在于US反應譜對于較長周期的加速度仍保持在0.1g以上，但在初始沖擊之后，BSS模型結(jié)構(gòu)位移減小速度較前兩者更慢。

人工波S790在最初的40 s內(nèi)給予一個具有規(guī)則峰值的恒定加速度輸入，這個反應與增加阻尼器后結(jié)構(gòu)反應相符。BSS模型、VSS模型和FSS模型的最大水平位移分別為0.47 m，0.43 m和0.40 m。顯然最大反應值發(fā)生在BSS模型中，表明結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)受到地震波激勵。

人工波SHW3是基于對上海地區(qū)局部斷層運動傳遞機制的分析而得到的，這即是無阻尼結(jié)構(gòu)的位移幾乎在整個地震波激勵時間內(nèi)都增加的原因。有阻尼結(jié)構(gòu)的反應是類似的，但幅值較小。使用VSS和FSS模型后最大位移分別從BSS模型的0.65 m減少到0.60 m和0.54 m。

分別將VSS,FSS模型的位移反應與BSS模型進行比較，最大值匯總參見表4。

表4 最大水平位移 m

表5結(jié)果表明有阻尼器加強結(jié)構(gòu)的位移角較小。而在采用了AsVD和AsFD的模型中，該位移角值分別減小了7%,25%，但在US地震波情況下例外，此時位移角增加了3%。

表5 最大位移角

這些反應具有相同的變化趨勢：使用阻尼器加強的模型具有較小反應幅值，但US地震波輸入情況下例外，其位移反應是增加的。相比之下，使用AsFD的模型比AsVD效果更好。

2.4 加速度反應

在有阻尼器加強的結(jié)構(gòu)中加速度反應的表現(xiàn)有所改善。相比于AsVD，采用AsFD時該反應降低更多。且與位移反應不同，即使在US地震波輸入的情況下，加速度數(shù)值也會降低。具體結(jié)果如圖3所示。

2.5 剪力和彎矩反應

除了US地震波輸入的結(jié)果外，對于其他三種地震波輸入，可看到從BSS模型到VSS模型再到FSS模型的剪力和彎矩值均有所下降。表6列出了三種不同模型的剪力和彎矩值。

表6 剪力和彎矩反應峰值

2.6 VSS和FSS模型的滯回反應

下面比較了兩種不同阻尼器滯回反應情況。VSS和FSS模型的參數(shù)設置是為了保證兩者在耗能方面具有相似的滯回曲線。圖4給出的曲線展示了非對稱性能——力恒為正值，證明了很好的非對稱特征。

3 結(jié)論

以某長周期高層建筑為工程背景，考慮大型復雜非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非對稱力學需求，將兩種新型非對稱阻尼器應用在主體結(jié)構(gòu)地震反應分析中，獲得了以下主要結(jié)論：

1)通過對帶與不帶新型非對稱阻尼器的結(jié)構(gòu)位移時程的觀察結(jié)果表明，帶新型阻尼器的主體結(jié)構(gòu)抗震性能得到了改善；

2)非對稱阻尼器在地震反應過程中阻尼力恒為正值，滿足了大型復雜非結(jié)構(gòu)構(gòu)件非對稱力學性能需求；

3)比較結(jié)構(gòu)地震位移、加速度、剪力、彎矩等反應結(jié)果，可知采用摩擦型非對稱阻尼器對改善主體結(jié)構(gòu)的抗震性能更大；

4)在柔性結(jié)構(gòu)考慮次結(jié)構(gòu)及其分布式阻尼效應方面可作進一步研究。