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冲杨
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1 第 37 卷第 6 期 2017 年 12 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.37No.6 Dec.2017 文章编号 : (2017) DOI: /j.eeev jingm.009 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论景铭, 戴君武, 刘永彬 ( 中国地震局工程力学研究所, 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室, 黑龙江哈尔滨 ) 摘要 : 本文选取两栋高层剪力墙结构住宅工程案例, 采用 ETABS 软件分析并讨论了高层剪力墙结构中安装位移型钢滞变阻尼器连梁进行消能减震设计的几个关键问题以阻尼器刚度设计极限位移附加阻尼比等参数为基本参量, 以层间位移角和层间剪力为减震效果优劣评价指标, 对比研究了阻尼器空间布设位置和数量变化对结构地震反应的影响规律验证了阻尼器刚度参数变化影响结构主振周期变化, 进一步影响层间剪力减震效果 ; 阻尼器设计极限位移参数变化引起结构整体耗能能力变化, 即阻尼器的设置增加了结构附加阻尼比尤其是大震附加阻尼比, 使结构大震作用下的层间位移反应得到有效控制给出了如下设计建议 : 当在高层剪力墙结构中采用消能连梁进行消能减震设计时, 应尽可能将阻尼器布置在受力较大的连梁位置处, 并使阻尼器的设计屈服位移和极限位移分别与结构设计弹性层间位移和弹塑性层间位移相匹配在设计过程中应通过调整阻尼器刚度尽可能延长消能减震结构的基本振动周期, 优化阻尼器布设位置和数量, 最大限度地增大阻尼器对结构的附加阻尼比贡献, 达到显著降低结构地震反应的目的关键词 : 高层剪力墙结构 ; 消能连梁 ; 附加阻尼比 ; 刚度 ; 自振周期中图分类号 :TU352;TU398 文献标志码 :A Caseanalysisanddiscusiononthedesigningofenergy disipative couplingbeamsinhigh riseshearwalstructures JINGMing,DAIJunwu,LIUYongbin (InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration;KeyLaboratoryofEarthquakeEngineeringand EngineeringVibrationofChinaEarthquakeAdministration,Harbin150080,China) Abstract:Inthispaper,severalkeyproblemswerediscusedandanalyzedbyutilizingsteelhystereticdampercou plingbeamsinactualhigh riseshearwalstructurehousingprojecttodoseismicenergydisipationdesign.the damperstifnes,designultimatedisplacementandadditionaldampingratioweresetasbasicparameters,inter sto rydisplacementangleandstoryshearforceandweresetasthedampingefectevaluationindexandtheinfluence paternofstructuralseismicresponsewereobtainedbycomparingthediferentdamperlayoutpositionsandquanti ties.thispaperverifiedthatthechangingofdamperstifnesparameterscouldhavegreatinfluenceonstructurevi brationperiodandfurtherafectthedampingefectofthestoryshearforce.also,thevariousdamperdesignulti matedisplacementparameterscouldhavesignificantlydiferentoveralenergydisipationcapacitywhichperform anceinincreasethestructureadditionaldampingratio,especialythestrongearthquakesadditionaldampingratio, 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 地震行业科研专项经费项目 ( ); 国家科技支撑计划课题 (2015BAK17B02); 中国地震局创新团队发展计划资助项目 Supported by: Earthquake Scientific Research FundsProgram ( ); NationalScience and Technology Supporting Program (2015BAK17B02);ProgramforInnovativeResearchTeaminChinaEarthquakeAdministration 作者简介 : 景铭 (1993-) 女, 硕士研究生, 主要从事结构抗震减震研究.E mail: @qq.com 通讯作者 : 戴君武 (1967-) 男, 研究员, 博士, 主要从事结构抗震减震研究.E mail:jwdai@iem.cn

2 80 地震工程与工程振动第 37 卷 sothattheinter storydisplacementanglethatunderstrongearthquakescouldbeefectivelycontroled.designsug gestionsasfolows:whenenergy disipativecouplingbeamswereutilizedtodoseismicenergydisipationdesignin high riseshearwalstructures,weshouldfirstdecoratethedamperstotheplaceswhichbearconsiderableloads thenguaranteethedamper sdesignyielddisplacementandultimatedisplacementrespectivelymatchingthestruc tureelasticinter storydisplacementandtheelastoplasticinter storydisplacement.duringthedesignproceses,the basicvibrationperiodofthepasiveenergydisipationstructurewassupposedtobeextendedasmuchasposible byadjustingthedamperstifnesandthedamperlayoutpositionandquantityshouldbeoptimizedtomaximizethe damper scontributiontotheadditionaldampingratio,throughtheabovemethods,thegoalofreducethestructure responseundertheearthquakecouldbeobtained. Keywords:high riseshearwalstructure;energy disipativecouplingbeam;additionaldampingratio;stifnes;vi brationperiod 引言近年来, 消能减震技术发展迅速, 位移型钢滞变阻尼器以其减震效果好, 性能稳定, 更换方便, 价格便宜等优点得到了广泛应用, 已在大量采用位移型阻尼器的工程项目展现了卓越的减震效果在高层剪力墙结构中, 连梁作为重要的受力构件, 在水平地震作用下, 具有刚度大, 受力大的特点, 在地震作用下往往破坏严重在连梁中段布置阻尼器, 并利用阻尼器屈服耗能, 可取得突出的减震效果从图 1 反应谱中可见, 结构在地震作用下的反应随结构自振周期的延长而减小, 也随着结构阻尼比的增大而减小在使用消能连梁对高层剪力墙结构进行消能减震设计的过程中, 阻尼器的参数空间布设位置和数量通过影响结构自振周期和阻尼比显著影响了结构的减震效果如何合理的选择阻尼器刚度设计极限位移等参数和空间布设位置使消能减震结构的周期最长对结构的附加阻尼比最大是消能减震设计的核心目前在消能减震结构的设计过程中, 国内外很多学者针对如何合理的选择阻尼器参数和有效布置位置提出了许多观点 :Moreschi [1] 利用遗传算法分析了在结构中不同位置安装的阻尼装置的最优设计参数, 给出了优化方法的公式 Gürg ze [2] 以结构的总能量最小为目标, 对阻尼器位置进行 [3] 了优化潘鹏等认为剪力墙结构以弯曲变形为主, 层间剪切变形很小, 上部连梁的剪切变形大于下部, 应将消能器布置在结构上部二分之一的连 [4] 梁处郭迅等在模块化钢滞变阻尼器使用方法中也提出应在剪力墙二分之一高度起向上各楼层层层布设阻尼器与上述学者观点不同, 程志图 1 消能连梁减震原理 Fig.1 Shockabsorptionprincipleofthe energy disipativecouplingbeam [5] 辉认为位移型阻尼器的减震作用是由下至上逐渐减小的, 为有效减小剪力墙结构的层间位移角应主要将 [6] 阻尼器布置在底部数层于此同时, 其他学者也提出了不同的消能连梁减震设计方法潘超等以阻尼器延性系数和联肢墙耦合比为设计控制指标, 提出了连梁内设置竖向变形阻尼器的耗能剪力墙体系的基于性 [7] 能的设计方法孙柏涛等针对阻尼器物理参数对典型的钢筋混凝土剪力墙结构进行时程分析, 并根据时 [8] 程分析结果对阻尼器的性能参数进行优化, 最后给出了合适的阻尼器性能参数李东晗等提出一种新型的连梁截断式剪切型金属阻尼器并根据具体的设计要求提出了程序化的设计流程以便于工程应用总的来说, 虽然已有很多学者针对消能连梁的合理参数和有效布置位置提出了许多观点, 但各种观点差别较大, 且均未在具体工程项目中对比研究了阻尼器参数空间布设位置和数量变化对结构地震反应的影响规律, 也未从减震原理上出发, 展现以上关键因素对结构自振周期和阻尼比的影响本文以高层剪力墙结构的层间位移角和层间剪力为减震效果优劣评价指标, 将阻尼器布置在具有不同高度不同受力特点的实际工程结构中进行多遇地震下的弹性分析和罕遇地震下的弹塑性分析, 同时考虑经

第 6 期景铭, 等 : 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论 81 济因素, 将减震效果最优与经济成本最低结合起来, 主要讨论了在使用消能连梁对高层剪力墙结构进行消能减震设计时应如何合理选择阻尼器设计屈服位移和极限位移空间布设位置以及数目等关键问题, 并跟据对具体工程项目进行消能减震设计得到的经验和规律, 提出了针对高层剪力墙结构消能连梁减震设计的实用设计建议

3 第 6 期景铭, 等 : 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论 81 济因素, 将减震效果最优与经济成本最低结合起来, 主要讨论了在使用消能连梁对高层剪力墙结构进行消能减震设计时应如何合理选择阻尼器设计屈服位移和极限位移空间布设位置以及数目等关键问题, 并跟据对具体工程项目进行消能减震设计得到的经验和规律, 提出了针对高层剪力墙结构消能连梁减震设计的实用设计建议根据本文提出的设计建议进行减震设计可有效延长消能减震结构的基本振动周期, 最大限度地增大阻尼器对结构附加阻尼比的贡献, 从而显著降低结构的地震反应, 为工程人员进行类似的高层剪力墙结构消能减震设计提供了经验和参考 1 消能减震案例分析 1.1 工程概况本工程为高层剪力墙结构, 建筑地上 47 层, 地下 2 层, 共 49 层, 房屋高度 m, 地上部分共计 3 个标准层, 符合规范规定的连梁每层共计 18 处该结构的计算模型见图 2, 连梁的平面布置图见图 3 规定竖直方向为 X 方向, 水平方向为 Y 方向本案例中非消能减震结构采用振型分解法, 消能减震结构采用考虑边界非线性的 FNA( 快速非线性分析 ) 法以考虑连接单元的非线性属性图 2 结构的计算模型 Fig.2 Thecalculationmodelofthestructure 图 3 连梁平面分布 Fig.3 Thelayoutofthecouplingbeams 本工程采用的阻尼器参数见表 1 表 1 连梁阻尼器技术参数 Table1 Thetechnicalparametersofthedampers 型号 A 型 B 型 C 型 D 型 E 型屈服力 Fy(kN) 屈服前刚度 K 1 (kn/mm) 屈服后刚度 K 2 / 屈服前刚度 K 设计极限位移 U max (mm) 消能部件附加给结构的有效阻尼比可按下式估算 [9] :ξ a = W cj /(4πW s ) j 式中 :ξ a 为消能减震建筑的附加有效阻尼比 ;W cj 为第 j 个消能器在结构预期层间位移 Δu j 下往复循环一周所消耗的能量 ;W s 为消能减震建筑在水平地震作用下的总应变能不计及扭转影响时, 消能减震结构在水平地震作用下的总应变能, 可按下式估算 : W s =(1/2) F i u i 式中 :F i 为质点 i 的水平地震作用标准值 ;U i 为质点 i 对应于水平地震作用标准值的位移位移型阻尼器在水平地震作用下往复循环一周所消耗的能量可按下式估算 : W cj =4(kf y -α s kx y )(x m -x y )=4f y x y (1-α s )(μ-1)

4 82 地震工程与工程振动第 37 卷消能减震结构的抗震设防目标是 [9] : 当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时消能部件不处于耗能工作状态, 主体结构不受损坏或不需要修理可继续使用 ; 当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时, 消能部件大部分不处于线性耗能工作状态, 少部分部件屈服耗能, 主体结构可能发生损坏, 但经一般修理仍可继续使用 ; 当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时, 消能部件处于非线性耗能工作状态, 主体结构不致倒塌或发生危及生命的严重破坏图 4 阻尼器典型滞回曲线 Fig.4 Typicalhystereticcurveofthedampers 图 5 地震波反应谱与规范反应谱的对比 Fig.5 Thecomparisonofseismicresponsespectrum andstandardizedresponsespectrum 本工程时程分析选取的地震波由五条天然波和两条人工波组成, 根据反应谱对天然波进行拟合得到人工波 7 条地震波的反应谱与规范反应谱的对比见图 5, 在主要周期点上基本符合统计意义上相符 1.2 消能减震结构的水平地震效应分析阻尼器刚度和反应位移对减震效果的影响方案 1~5 在结构地上 1 层到地上 47 层全部可布置部位均进行布置, 共计 810 套阻尼器根据抗震结构各不同位置处的可替换连梁的小震大震内力反应确定了阻尼器的屈服力以及设计屈服位移和设计极限位移由于本工程 Y 向全部可替换连梁的位置均受力较小, 同时由于钢滞变阻尼器的屈服力存在下限, 在方案 1 的 Y 向全部布置刚度最小的 A 型阻尼器后, 仍有部分阻尼器在罕遇地震下的反应位移仅 2~3mm 计算结果表明, 罕遇地震下方案 1 中 X 向阻尼器平均反应位移在 12mm 左右,Y 向除部分受力极小的位置处阻尼器平均反应位移均在设计极限位移 10mm 左右方案 2 和方案 3 分别在方案 1 的基础上保持 Y 向阻尼器刚度不变, 分别减小和增大 X 向阻尼器的刚度, 使 X 向每套阻尼器的反应位移分别在 18mm 和 10mm 左右方案 4 和方案 5 保持 X 方向阻尼器刚度同方案 3, 依次增大 Y 方向阻尼器刚度, 使 Y 向除部分受力极小的位置外每套阻尼器的反应位移在 7mm 和 5mm 左右具体布置方法见表 2 表 2 阻尼器具体布置方案 Table2 Specificlayoutschemeofthedampers 方案号 A 型 B 型 C 型 D 型 E 型 X 方向 Y 方向合计阻尼器数目计算结果如下

5 第 6 期景铭, 等 : 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论 83 图 6 阻尼器反应位移对比 (mm) Fig.6 Thecomparisonofdamper sdisplacement 表 3 阻尼器附加阻尼比对比 Table3 Thecomparisonofdamper sadditionaldampingratio 方案号 X 方向 W C (kn mm) W S (kn mm) ξ a (%) Y 方向 W C (kn mm) W S (kn mm) ξ a (%) 表 4 结构自振周期对比 Table4 Thecomparisonofstructuralvibrationperiod s 方案号原模型 T (8.99%) 4.490(9.38%) 4.472(8.94%) 4.421(7.70%) 4.380(6.70%) T (13.17%) 4.402(16.39%) 4.255(12.51%) 4.237(12.03%) 4.225(11.71%) T (28.20%) 3.975(30.03%) 3.912(27.97%) 3.868(26.53%) 3.833(25.38%) 注 : 括号内为消能减震结构相对于原结构的周期放大百分比图 7 层间位移角对比 Fig.7 Thecomparisonofinter storydisplacementangle 表 5 最大层间位移角对比 Table5 Thecomparisonofthemaximuminter storydisplacementangle 罕遇地震 X 罕遇地震 Y 多遇地震 X 多遇地震 Y 方案号减震后减震前减震后减震前减震后减震前减震后减震前

6 84 地震工程与工程振动第 37 卷由图 8 可见, 罕遇地震下结构的层间位移角对阻尼器反应位移的变化非常敏感 : 随着阻尼器反应位移的增大, 层间位移角逐渐增大, 且一方向阻尼器反应位移的增大也会增大另一个方向的层间位移角与之相反, 多遇地震下结构的层间位移角受阻尼器反应位移的影响较小图 8 层间位移角随阻尼器反应位移的变化规律 Fig.8 Thevaryingpaternoftheinter storydisplacementanglebychangingthedamperresponsedisplacement 阻尼器对结构的附加阻尼比是阻尼器刚度和阻尼器反应位移的复合函数, 阻尼器刚度越大, 反应位移越大, 对结构的附加阻尼比就越大从表 3 可见结构的附加阻尼比受刚度的影响显著, 随着阻尼器刚度的提高, 对结构的附加阻尼比逐渐增大方案 2 阻尼器刚度最小, 层间位移角最大, 罕遇地震 X 向层间位移角甚至出现了放大的现象, 其阻尼器的最大平均反应位移在 17mm 左右, 部分阻尼器的反应位移超过 20mm, 远超设计极限位移阻尼器刚度过小导致反应位移过大, 结构整体变柔, 是层间位移角放大的重要原因设计时为了控制罕遇地震层间位移角不放大必须保证选择的阻尼器具有足够的刚度以实现对反应位移的控制图 9 层间剪力对比 (kn) Fig.9 Thecomparisonofstoryshearforce 从表 4 可见, 仅通过改变阻尼器刚度改变阻尼反应位移对消能减震结构自振周期的影响很小, 因此无论在罕遇地震下还是多遇地震下, 结构的层间剪力的减震效果均受阻尼器反应位移的影响较小综上所述, 阻尼器刚度和反应位移对罕遇地震下结构的层间位移角影响较大 : 随着阻尼器刚度的减小, 反应位移增加, 层间位移角逐渐增大 ; 对层间剪力和多遇地震下的层间位移角影响较小将阻尼器布置在全部楼层全部位置并调节阻尼器反应位移达到设计极限位移可有效的延长了结构的自振周期增大结构的阻尼比, 有效的降低结构在地震作用下的反应阻尼器布设位置对减震效果的影响虽然将阻尼器逐层布置产生了优异的减震效果, 但采用的阻尼器数目较大为了实现优异的减震效果同时减少阻尼器数目, 降低经济成本, 现分别将相近数目的阻尼器布置在结构的上部, 中部和下部的全部可布置位置以及仅布置在全部楼层受力较大的位置阻尼器参数同方案四, 具体布置方法见表 6 表 6 阻尼器具体布置方案 Table6 Specificlayoutschemeofthedampers 阻尼器数目方案号 A 型 B 型 C 型 D 型 E 型 X 方向 Y 方向合计总计布置楼层 ~ ~ ~ ~35

7 第 6 期景铭, 等 : 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论 85 计算结果如下 : 图 10 阻尼器反应位移对比 (mm) Fig.10 Thecomparisonofdamperdisplacement 表 7 阻尼器附加阻尼比对比 Table7 Thecomparisonofdamper sadditionaldampingratio 方案号 X 方向 W C (kn mm) W S (kn mm) ξ a (%) Y 方向 W C (kn mm) W S (kn mm) ξ a (%) 表 8 结构自振周期对比 Table8 Thecomparisonofstructuralvibrationperiod s 方案号原模型 T (7.69%) 4.381(6.72%) 4.172(1.63%) 4.292(4.56%) 4.292(4.56%) T (12.03%) 4.232(11.90%) 3.901(3.15%) 3.981(5.26%) 4.036(6.72%) T (26.53%) 3.834(25.42%) 3.371(10.27%) 3.476(13.71%) 3.624(18.55%) 注 : 括号内为消能减震结构相对于原结构的周期放大百分比图 11 层间位移角对比 Fig.11 Thecomparisonofinter storydisplacementangle 表 9 最大层间位移角对比 Table9 Thecomparisonofthemaximuminter storydisplacementangle 方案号减震后罕遇地震 X 减震前减震后罕遇地震 Y 减震前减震后多遇地震 X 减震前减震后多遇地震 Y 减震前

8 86 地震工程与工程振动第 37 卷由图 11 和表 9 可见, 对结构的层间位移角, 在多遇地震作用下, 上述几种方案的减震效果比较接近, 方案 4( 在结构全部可布置部位进行布置 ) 最优罕遇地震作用下, 方案 8( 仅在结构 3~22 层布置阻尼器 ) 减震效果明显优于其他方案从前述计算结果已知, 层间位移角的最大值出现在结构中部偏上的位置并且罕遇地震下结构的层间位移角随阻尼器反应位移的增大而减小将阻尼器沿楼层高度整体布置时, 罕遇地震下每一层阻尼器均有较大的反应位移, 仅将阻尼器布置在结构下部时, 仅下部楼层处的阻尼器有较大的反应位移结构底部楼层受力较大, 采用刚度较大的阻尼器也可达到较大的反应位移, 将阻尼器布置在底部楼层在有效增大阻尼器对结构的附加阻尼比的同时更有效的将变形集中下部, 因此可更突出的减小位于结构中上部的罕遇地震下的最大层间位移角图 12 层间剪力对比 (kn) Fig.12 Thecomparisonofstoryshearforce 表 10 最大层间剪力对比 Table10 Thecomparisonofthemaximumstoryshearforce kn 罕遇地震 X 罕遇地震 Y 多遇地震 X 多遇地震 Y 方案号减震后减震前减震后减震前减震后减震前减震后减震前由图 12 和表 10 可见, 就层间剪力而言, 在以上 4 种方案中, 方案 6( 阻尼器布置在 3~47 层受力较大的位置 ), 减震效果最优上图同时对比了前述方案 4 的层间剪力值 : 方案 4 的层间剪力略小于方案 6 计算结果表明虽然在结构全部可布置部位进行布置为最优方案, 但相比仅布置在受力较大位置的方案 6, 层间剪力值非常接近从经济成本的角度考虑, 方案 4 的阻尼器个数为方案 6 的 1.5 倍, 成本较高方案 7 方案 8 和方案 9 分别将数量接近的阻尼器布置在结构的上部, 底部和中部由图 12 可见, 将阻尼器布置在结构上部将显著降低楼层上部的剪力, 将阻尼器布置在结构中部将显著降低楼层中部的剪力, 类似, 将阻尼器布置在结构下部将显著降低楼层下部的剪力其中仅将阻尼器布置在结构上部减震效果最差从计算结果可见, 无论是阻尼器对结构的附加阻尼比还是消能减震结构的自振周期, 方案 4 和方案 6 都非常接近, 因而 2 个方案呈现了非常接近的减震效果从表 7 可见, 方案 6 两个方向的附加阻尼比是其他 3 种方案的约 2 倍从表 8 可见, 方案 4 和方案 6 的第 1 阶周期较非消能减震结构增大了约 7%, 方案 8 和方案 9 的周期接近, 较非消能减震结构增大了约 5%, 而方案 7 较非消能减震结构仅增大了 2% 可见, 在结构全部楼层受力较大的位置布置阻尼器相比其他布置方法更显著的增大了结构的自振周期, 提高了附加阻尼比, 有效的减小了结构在地震作用下的反应从罕遇地震反应位移表可见, 方案 6 中每层阻尼器的平均反应位移远大于其他 3 种方案这是这 3 种方案中部分位置处的阻尼器反应位移过小导致的, 这部分阻尼器受力小, 采用低屈服力的阻尼器后反应位移仍很小, 滞回耗能少, 对减震效果的贡献少因此在消能减震的设计过程中, 通过调整阻尼器参数使所有的阻尼器反应位移均达到设计极限位移, 让所有位置的阻尼器都达到有效状态是设计的关键但由于钢滞变阻尼器的屈服力存在下限, 如出现将低屈服力阻尼器布置在受力较小的位置时的反应位移仍远不到设计极限位移的状况, 即无效状态时, 可不在该位置布置阻尼器同时也表明, 在确定阻尼器平面布置位置

第 6 期景铭, 等 : 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论 87 时, 在确保阻尼器反应位移达到设计极限位移的基础上应首选将阻尼器布置在受力较大的连梁位置处以利用较大的刚度获得更大的附加阻尼比为了评估反应谱分析计算时消能连梁布置引起的结构附加阻尼比增加对结构反应的影响, 本文进一步给出了以方案 4 为例所做的反应谱分析与时程分析结果的对比计算结果表明,

001058 0.000903 11326 11169 有阻尼器 ξ=0.075 0.000788 0.000608 8563 7432 有阻尼器时程分析 0.000722 0.000582 7879 6893 1.3 验证算例为验证前述结论, 现根据以上规律在不同高度不同受力状态的剪力墙结构中进行验算本工程建筑地上 19 层, 地下 2 层, 房屋建筑高度 62.

9 第 6 期景铭, 等 : 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论 87 时, 在确保阻尼器反应位移达到设计极限位移的基础上应首选将阻尼器布置在受力较大的连梁位置处以利用较大的刚度获得更大的附加阻尼比为了评估反应谱分析计算时消能连梁布置引起的结构附加阻尼比增加对结构反应的影响, 本文进一步给出了以方案 4 为例所做的反应谱分析与时程分析结果的对比计算结果表明, 时程分析结果与反应谱分析结果基本相符增大阻尼比通过减小地震影响系数, 有效降低了结构在地震作用下的反应表 11 反应谱分析计算结果 Table11 Responsespectrumanalysisandcalculationresults 多遇地震 X 向层间位移角多遇地震 Y 向层间位移角多遇地震 X 向层间剪力 (kn) 多遇地震 Y 向层间剪力 (kn) 无阻尼器 ξ= 有阻尼器 ξ= 有阻尼器时程分析验证算例为验证前述结论, 现根据以上规律在不同高度不同受力状态的剪力墙结构中进行验算本工程建筑地上 19 层, 地下 2 层, 房屋建筑高度 62.7m, 每层共计 10 处可布置阻尼器根据前述规律, 在该楼地上 1 层至地上 18 层全部位置布置阻尼器, 并通过调整阻尼器刚度使阻尼器在罕遇地震下的平均反应位移在设计极限位移左右具体布置方法见图 12, 计算方法同前述案例表 12 结构周期对比 Table12 Thecomparisonofstructuralperiod s 非消能减震结构消能减震结构放大百分比 T T T 图 13 阻尼器平面布置图 Fig.13 Thelayoutofthedampers 计算结果如下 : 图 14 层间位移角对比 (%) Fig.14 Thecomparisonofinter storydisplacementangle 图 15 层间剪力对比 (kn) Fig.15 Thecomparisonofstoryshearforce

10 88 地震工程与工程振动第 37 卷由图 14 和图 15 可见, 该方案取得了很好的减震效果从计算结果中还可以看到与案例 1 相比, 案例 2 自振周期更短, 短周期结构的减震效果优于长周期结构在反应谱上可见, 当加入阻尼器延长了相同比例的结构周期时, 短周期结构的加速度下降绝对值大于长周期结构, 因而减震效果更突出 2 结论本文以层间位移角和层间剪力为减震效果优劣评价指标, 在实际工程案例中对比研究了在连梁处布设的位移型钢滞变阻尼器的参数空间布设位置和数量对减震效果的影响规律结论如下 : (1) 减震效果产生明显差异的根本原因在于阻尼器刚度反应位移空间布设位置和数量不同导致结构基本振动周期以及阻尼器对结构的附加阻尼比的不同最优的消能减震设计应通过合理的选择阻尼器参数和位置使消能减震结构的周期最长, 最大限度地增大阻尼器对结构的附加阻尼比贡献 (2) 将阻尼器布设在全部楼层全部可布置位置, 并通过调整阻尼器设计屈服位移和极限位移使之与结构设计弹性层间位移和弹塑性层间位移相匹配可有效的延长消能减震结构的自振周期, 增大阻尼器对结构的附加阻尼比, 从而有效的控制结构在地震作用下的反应 (3) 将阻尼器布设在全部楼层可有效控制多遇地震下结构的层间位移角, 将阻尼器布设在底部楼层可有效控制罕遇地震下结构的层间位移角多遇地震下结构的层间位移角受阻尼器反应位移变化的影响很小, 罕遇地震下结构的层间位移角受阻尼器反应位移变化的影响较大, 并随着阻尼器反应位移的增大而增大消能减震设计时为了控制罕遇地震下层间位移角必须保证选择的阻尼器具有足够的刚度以确保阻尼器的反应位移在设计极限位移之内 (4) 以结构的层间剪力为控制指标时, 当阻尼器总数量一定时, 集中布设于结构的上部中部和下部的减震效果均显著差于平均布设在每一层, 其中仅布设于结构的上部效果最差同时, 无论在多遇地震还是罕遇地震作用下, 通过调整阻尼器刚度调整阻尼器的反应位移均对层间剪力的减震效果影响很小 (5) 通过调整阻尼器参数使所有的阻尼器反应位移均达到设计极限位移, 让所有位置的阻尼器都达到有效状态是设计的关键如在某些受力较小的位置布设低屈服力阻尼器后阻尼器的反应位移仍远不到设计极限位移, 即出现无效状态时, 应不在以上位置布置阻尼器, 从而实现减少阻尼器数量, 提高经济成本的目的 (6) 在消能减震结构的设计过程中, 层间剪力决定梁柱截面面积和配筋, 建议初选方案时将结构的层间剪力作为控制目标, 将阻尼器布设在全部楼层处, 并根据不同位置连梁的受力大小需求设置相应的具有相匹配屈服刚度屈服位移以及极限位移的阻尼器这种设计方法对减小层间剪力有显著效果, 同时对减小层间位移角亦有效果设计人员可根据采用消能减震措施以后的内力适当的对原有设计进行优化, 之后进行下一轮消能方案的最终确定设计过程中如某方向出现层间位移角放大的现象, 应提高该方向阻尼器刚度以减小阻尼器的反应位移, 并可在楼层下部增加阻尼器数量参考文献 : [1] MoreschiLM,SinghM P.Designofyieldingmetalicandfrictiondampersforoptimalseismicperformance[J].EarthquakeEngineeringand StructuralDynamics,2003,32: [2] M.Gürg ze,mülerpc.optimalpositioningofdampersinmulti bodysystems[j].journalofsound&vibration,1992,158(3): [3] 潘鹏, 叶列平, 钱稼茹, 等. 建筑结构消能减震设计与案例 [M]. 北京 : 清华大学出版社,2014. PANpeng,YELieping,QIANJiaru,etal.Seismicdesignofbuildingstructuresequippedwithenergydisipationdevices[M].Beijing:Tsinghua UniverstityPres,2014.(inChinese) [4] 郭迅, 王涛, 郑志华. 模块化钢滞变阻尼器的使用方法 [P]. 中国,CN A, GUOXun,WANGTao,ZHENGZhihua.Theuseofmodularsteellagvariabledamper[P].China,CN A, (inChi nese) [5] 程志辉. 剪力墙结构位移型阻尼器有效位置的初步探讨 [J]. 建筑结构,2012( 增 1): CHENGZhihui.Preliminarydiscusaboutefectivepositionsofdisplacement typedampersinshearwalstructures[j].buildingstructure,2012 (S1): (inChinese) [6] 潘超, 翁大根. 连梁内设置竖向变形阻尼器的耗能剪力墙体系减震分析与设计 [J]. 建筑结构学报,2012,33(10): PANChao,WENGDagen.Seismicanalysisanddesignofdampingcontroledcoupledshearwalwithverticaldampersincouplingbeams[J]. JournalofBuildingStructures,2012,33(10):39-46.(inChinese)

11 第 6 期景铭, 等 : 高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论 89 [7] 孙柏涛, 杨康, 王明振, 等. 钢筋混凝土剪力墙结构连梁阻尼器性能参数优化方法研究 [J]. 地震工程与工程振动,2016,36(4):1-8. SUNBaitao,YANGKang,WANGMingzhen.,etal.Studyonanoptimizationmethodfortheparametersofcouplingbeamdamperusedonrein forcedconcreteshearwalstructure[j].earthquakeengineeringandengineeringdynamics,2016,36(4):1-8.(inchinese) [8] 李冬晗, 张沛洲, 欧进萍. 双肢剪力墙连梁截断式剪切型金属阻尼器抗震设计与分析 [J]. 地震工程与工程振动,2015,35(6): LIDonghan,ZHANGPeizhou,OUJinping.Seismicdesignandanalysisofcentralshearlinkforcouplingbeaminreinforcedconcreteshearwals [J].EarthquakeEngineeringandEngineeringDynamics,2015,35(6): (inChinese) [9] JGJ 建筑消能减震技术规程 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2013. JGJ RegulationsofTechnologyofBuildingEnergyDisipationDamper[S].Beijing:ChinaBuildingIndustryPres,2013. [10] 孔子昂, 王涛, 施唯, 等. 采用消能连梁的高层结构整体分析与实验研究 [J]. 地震工程与工程振动,2016,36(4):9-18. KONGZi'ang,WANGTao,SHIWei,etal.Analyticalandexperimentalstudyonhigh risebuildingswithenergy disipativecouplingbeams[j]. EarthquakeEngineeringandEngineeringDynamics,2016,36(4):9-18.(inChinese) [11] 曲激婷, 李宏男, 李钢. 位移型消能器在结构减震控制中的位置优化研究 [J]. 工程力学,2009,26(1): QUJiting,LIHongnan,LIGang.Optimalplacementofdisplacement basedenergydisipativedevicesforpasiveresponsecontrol[j].engineer ingmechanics,2009,26(1):43-48.(inchinese) [12] 蒋欢军, 胡玲玲, 应勇. 钢筋混凝土剪力墙结构层间位移角与构件变形的关系研究 [J]. 结构工程师,2011,27(6): JIANGHuanjun,HULingling,YINGYong.StudyonrelationshipbetweenstorydriftandelementdeformationforRCshearwalstructures[J]. StructuralEngineers,2011,27(6):26-33.(inChinese)

6 4 昆明理工大学学报 ( 自然科学版 ) 第 41 卷解决建筑结构抗震的思路, 实现了成本与性能间平衡. 软钢阻尼器由于其低廉的造价优越的耗能能力, 在国内工程中的应用越来越广泛 [2]. 通常消能减震结构的设计有基于刚度需求 [3] 能量平衡 [4] [5] 性能等方法, 本文提出了一种基

6 4 昆明理工大学学报 ( 自然科学版 ) 第 41 卷解决建筑结构抗震的思路, 实现了成本与性能间平衡. 软钢阻尼器由于其低廉的造价优越的耗能能力, 在国内工程中的应用越来越广泛 [2]. 通常消能减震结构的设计有基于刚度需求 [3] 能量平衡 [4] [5] 性能等方法, 本文提出了一种基第 41 卷第 2 期 2016 年 4 月昆明理工大学学报 ( 自然科学版 ) JournalofKunmingUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition) Vol.41 No 2 Apr.2016 doi:10.16112/j.cnki.53-1223/n.2016.02.007 基于等效线性化方法的软钢阻尼器结构设计方法高永林