趙亞軍，榮浩霖，鄭裕金，劉宇翔，徐敏

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對現(xiàn)代建筑的要求也越來越高，隨著高層建筑的問世，隨之而來的是新的安全問題，其中建筑物的抗震問題一直以來都是關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

伴隨著資源的集中和土地利用率的提高，商業(yè)中心的高層建筑鱗次櫛比，但其功能和安全性仍然值得謹(jǐn)慎對待。辦公樓多是鋼筋混凝土的框架式建筑，但結(jié)構(gòu)不連續(xù)，底部商業(yè)區(qū)高度較小，側(cè)向剛性的支撐層容易出現(xiàn)受力薄弱現(xiàn)象[1-2]。大量學(xué)者研究表明[3-5]，結(jié)構(gòu)物的集中變形容易發(fā)生在豎向結(jié)構(gòu)不規(guī)則的樓層，在受到外力作用時(shí)，容易發(fā)生樓層側(cè)移的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致樓棟倒塌[6-7]。

本文通過對高140.5m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的支撐剪力墻進(jìn)行分析，比較普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在Chichi波影響下對混凝土框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程以及角位移的變化情況，探究粘滯阻尼器多結(jié)構(gòu)抗震性能的作用效果，來研究結(jié)構(gòu)的抗震特性。

2 工程概況

該工程為高140.5m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，共38 層。文中主要對建筑物的支撐剪力墻進(jìn)行分析。該建筑長47.4m，寬17m，設(shè)計(jì)使用年限為50 年，設(shè)置7 度抗震烈度，二類別場地類型。建筑場地的周期性特征0.3s，設(shè)丙類抗震，二級結(jié)構(gòu)安全。建筑物的轉(zhuǎn)換層在第4 層，避難層為第16 層，第4 層和第16 層采用實(shí)心鋼管混凝土為主要支撐結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度為C60，鋼管采用Q345鋼。

根據(jù)甲方的要求，在中級地震的情況下避難層和轉(zhuǎn)換層的承重構(gòu)件和轉(zhuǎn)換構(gòu)件要處于彈性狀態(tài)，且彈性變形處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在不影響建筑物使用空間的條件下，避難層和轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)豎直方向的剛度會(huì)發(fā)生突變，在這兩層建筑中布置44 個(gè)粘滯阻尼器。阻尼器的連接通過兩端的球鉸與主體結(jié)構(gòu)采用剛性固接，具體在結(jié)構(gòu)的外部立面采用人字支撐體系，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部立面采用門架支撐體系。經(jīng)過調(diào)試和計(jì)算阻尼指數(shù)后，設(shè)計(jì)阻尼器的阻尼指數(shù)為0.2，系數(shù)為300kN·s/mm2。每層布置22 個(gè)測試點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位設(shè)置粘滯阻尼器兩個(gè)。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析

本文對比普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)對混凝土框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程影響，來探究結(jié)構(gòu)的抗震曲線。文中選取了5種工況作為地震波樣本，然后調(diào)整每種工況的結(jié)構(gòu)周期性自震特征和場地類型，參考《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》中最不利于結(jié)構(gòu)物的4 種震動(dòng)類型，將信息作為邊界條件輸入到Matlab 中進(jìn)行擬合，根據(jù)結(jié)構(gòu)震級分組、自振周期數(shù)值、抗震烈度的設(shè)計(jì)以及震動(dòng)阻尼比等參數(shù)，在Matlab 中擬合一條滿足設(shè)計(jì)要求的人工地震波形，天然的地震波參數(shù)如表1所示，每一次地震波維持15s。

表1 天然的地震波參數(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析

在進(jìn)行阻尼器布置時(shí)，以水平面為基準(zhǔn)，定義結(jié)構(gòu)的平面圖中寬度方向?yàn)閅軸，長度方向?yàn)閄軸。在結(jié)構(gòu)檢測中發(fā)現(xiàn)Y 軸方向的結(jié)構(gòu)抗震性較差，因此本文主要分析Y 軸方向的結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程曲線。本文對比普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在Chichi波影響下對混凝土框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程的影響，獲得避難層與轉(zhuǎn)換層的動(dòng)力時(shí)程位移曲線，來研究鋼混結(jié)構(gòu)在設(shè)置粘滯阻尼器后，在不同震級條件下結(jié)構(gòu)位移的變化情況。

普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在Chichi 波影響下對混凝土框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程的影響曲線如圖1所示，圖1中展示了避難層和轉(zhuǎn)換層的動(dòng)力時(shí)程位移曲線。由圖1 可知，Chichi 波的峰值加速度值35gal時(shí)，避難層和轉(zhuǎn)換層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結(jié)構(gòu)耗能減震效果在30%左右，避難層和轉(zhuǎn)換層之外的樓層，粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)耗能減震效果在18%左右。Chichi 波的峰值加速度值220gal時(shí)，避難層和轉(zhuǎn)換層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結(jié)構(gòu)耗能減震效果在10%左右，避難層和轉(zhuǎn)換層之外的樓層，粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)耗能減震效果在6%左右。

圖1 避難層和轉(zhuǎn)換層的動(dòng)力時(shí)程位移曲線

3.2 結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角分析

普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在Chichi 波影響下對混凝土框架結(jié)構(gòu)層間角位移的影響曲線如圖2所示，圖2中展示了混凝土框架結(jié)構(gòu)每層的層間角位移曲線。表2 中列出了第4 層、第16 層、第30層、第37層在不同地震波峰值加速度條件下，普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的層間角位移變化值，并計(jì)算了采用粘滯阻尼器后的結(jié)構(gòu)減震效果變化百分?jǐn)?shù)。觀察圖2 可以看出，在地震波峰值加速度不同的條件下，采用粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)層間角位移變化值更小，說明在結(jié)構(gòu)物中設(shè)置粘滯阻尼器可以有效提高結(jié)構(gòu)物的抗震能力。同時(shí)，觀察層間的角位移變化曲線可以看出，層間最大角位移的變化值在轉(zhuǎn)換層和避難層時(shí)存在一個(gè)突變現(xiàn)象，并且這兩層的角位移變化值更小。Chichi 波的峰值加速度值35gal時(shí)，各結(jié)構(gòu)層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結(jié)構(gòu)耗能減震效果在17%～37%之間，Chichi波的峰值加速度值220gal時(shí)，避難層和轉(zhuǎn)換層的粘滯阻尼器減震效果顯著，結(jié)構(gòu)耗能減震效果在20%左右，避難層和轉(zhuǎn)換層之外的樓層，粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)耗能減震效果在13%～16%變化。

圖2 Chichi波作用下各層最大層間位移角曲線

表2 不同樓層最大層間位移角及變化幅值

4 鋼混框架支撐結(jié)構(gòu)抗震能力需求分析

4.1 靜力彈塑性分析模型

在對鋼混框架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震研究時(shí)，首先要進(jìn)行靜力狀態(tài)的彈性和塑性分析，考慮結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)的最不利條件側(cè)向受力，并確定荷載的分布情況。還需要考慮P-Δ 效應(yīng)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。在進(jìn)行荷載分配時(shí)，要求根據(jù)各個(gè)構(gòu)件的實(shí)際配筋情況合理分配，使用XTract分析法對各個(gè)截面進(jìn)行壓彎強(qiáng)度計(jì)算。將構(gòu)件的連接兩端定義為塑性鉸接，并考慮構(gòu)件在荷載作用下發(fā)生非線性變形，圖3 中展示了不同的混凝土梁和鋼管混凝土的壓彎曲線。在進(jìn)行擬合時(shí)本文采用Mander 模型對混凝土構(gòu)件進(jìn)行滯回計(jì)算，并定義構(gòu)件發(fā)生理想的彈塑性形變?？紤]到混凝土本身的材料性質(zhì)和受力筋的分布情況，在計(jì)算時(shí)僅考慮構(gòu)件中鋼筋的非線性力學(xué)行為。

圖3 轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面承載力曲線

4.2 結(jié)構(gòu)地震需求曲線與抗震能力曲線

普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在Chichi波影響下，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震能力需求曲線如圖4所示，圖4中展示了各結(jié)構(gòu)層在大、中、小三種不同震級條件下的抗震能力需求曲線。由圖4 可知，不同的結(jié)構(gòu)層抗震能力需求曲線之間存在交點(diǎn)，這一交點(diǎn)被稱為結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)抗震能力與抗震需求的臨界點(diǎn)。觀察圖中數(shù)據(jù)可以看出，普通結(jié)構(gòu)在震級由大到小，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)最大位移值分別為405mm、193mm、82mm。粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在震級由大到小，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)最大位移值分別為345mm、133mm、31mm。根據(jù)圖4 中的數(shù)據(jù)獲得的各能級震級條件下，普通結(jié)構(gòu)和粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)最大角位移數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4 鋼混框架支撐結(jié)構(gòu)抗震能力曲線與需求曲線

表3 結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)最大角位移

由表3 中數(shù)據(jù)可知，普通結(jié)構(gòu)的抗震變形能力符合規(guī)范設(shè)計(jì)的最大角位移＜0.0001 的要求，并且符合大震條件下抗倒塌的最大角位移＜0.0083 的要求。帶粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在不同的震級條件下顯著減小了結(jié)構(gòu)層的最大角位移值，從而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗震能力，使結(jié)構(gòu)在更大震級作用下抵抗變形的能力得到提高，在小震作用下最大層間角位移減小了54%，在中震作用下最大層間角位移減小了27%，在大震作用下最大層間角位移減小了13%。

4.3 各個(gè)性能點(diǎn)下各樓層層間位移

不同震級結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)的角位移曲線如圖5 所示。由圖5 可知，粘滯阻尼器，在小震作用下將轉(zhuǎn)化層的地震需求減小了84%，在中震作用下將轉(zhuǎn)化層的地震需求減小了32%，在大震作用下將轉(zhuǎn)化層的地震需求減小了15%。粘滯阻尼器，在小震作用下將避難層的地震需求減小了63%，在中震作用下將避難層的地震需求減小了31%，在大震作用下將避難層的地震需求減小了14%。避難層和轉(zhuǎn)換層之外的樓層，粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)地震需求減小幅度在13%～59%變化。

圖5 不同震級結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)的角位移曲線

5 鋼混框支撐剪力墻結(jié)構(gòu)塑性鉸

為了更清晰地描述普通鋼混框架支撐結(jié)構(gòu)的剪力墻破壞模式，從而探究粘滯阻尼器多結(jié)構(gòu)抗震性能的作用效果，本文選擇實(shí)際工程中典型的鋼混結(jié)構(gòu)作為實(shí)例，構(gòu)件的塑性鉸分布情況和發(fā)展情況如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)構(gòu)件的最大角位移增大到334mm 時(shí)，框架結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)塑性鉸。隨著頂點(diǎn)角位移不斷增大到398mm，30 層的塑性鉸開始發(fā)展。隨著頂點(diǎn)角位移不斷增大到725mm，避難層以上的樓層塑性鉸特征顯著，但塑性變形卻維持基本不變的狀態(tài)，避難層以下的樓層塑性鉸繼續(xù)發(fā)展。當(dāng)頂點(diǎn)角位移不斷增大到1105mm 時(shí)，避難層及以下樓層的兩端均出現(xiàn)塑性鉸。通過這一現(xiàn)象可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)物在外力作用下發(fā)生的變形較大時(shí)，鋼混框架結(jié)構(gòu)的剪力墻表現(xiàn)弱非線性狀態(tài)。

圖6 鋼混構(gòu)件的塑性鉸分布和發(fā)展情況

6 結(jié)論

粘滯阻尼器減震效果顯著，在小震情況下避難層和轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)耗能減震效果在30%左右，避難層和轉(zhuǎn)換層之外的樓層，粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)耗能減震效果在18%左右。在大震條件下避難層和轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)耗能減震效果在10%左右，避難層和轉(zhuǎn)換層之外的樓層，粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)耗能減震效果在6%左右。

帶粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在不同的震級條件下顯著減小了結(jié)構(gòu)層的最大角位移值，從而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗震能力，使結(jié)構(gòu)在更大震級作用下抵抗變形的能力得到提高，在小震作用下最大層間角位移減小了54%，在中震作用下最大層間角位移減小了27%，在大震作用下最大層間角位移減小了13%。

當(dāng)結(jié)構(gòu)物在外力作用下發(fā)生的變形較大時(shí)，鋼混框架結(jié)構(gòu)的剪力墻表現(xiàn)弱非線性狀態(tài)。