第 32 卷第 3 期桂林理工大报 Vol 32No 3 2012 年 8 月 JournalofGuilinUniversityofTechnology Aug. 2012 文章编号 :1674-9057(2012)03-0391-05 doi:10 3969/j.isn 1674-9057 2012 03 020 复合式金属阻尼器在高层剪力墙结构中的应用 李祥秀 1, 谭平 2, 刘淼鑫 2, 闫维明 1 2, 周福霖 (1 北京工业大建筑工程院, 北京 100124;2 广州大工程抗震研究中心, 广州 510405) 摘要 : 将新型复合式金属阻尼器应用于某高层剪力墙实际工程结构 采用 Perform 3D 建立了结构的三维精细化非线性有限元模型, 通过对结构在 9 度大震下的弹塑性分析, 研究了该复合式金属阻尼器对高层剪力墙实际工程结构的减震控制效果 分析结果表明 : 加设复合式金属阻尼器后结构的耗能性能明显改善, 结构的基底剪力减小 20% 以上, 该复合式金属阻尼器在实际工程中具有良好的推广实用意义 关键词 : 复合式金属阻尼器 ; 剪力墙结构 ; 耗能减震 ; 非线性分析中图分类号 :TU398 2;TU311 3 文献标志码 :A 近年来, 耗能减震技术因其减震效果好 构造简单 造价低廉 适用范围广 维护方便等优点, 受到各国研究者和工程师的重视 [1-6] 1972 年新西兰的 Kely 等首先提出金属屈服耗能器, 并进行了软钢耗能器的研究试验 为了改善地震作用下结构的工作性能, 近年来国内外已开发出了各种耗能阻尼器, 其中复合式金属阻尼器可避免或减小中震后的修复工作, 并能显著降低大震作用下结构的损伤, 其耗能减震性能良好 构造简单 加工制作方便, 受到了广泛的关注 [7] 本文将复合式金属阻尼器应用于某高层剪力墙实际工程结构, 分析了该阻尼器在高层剪力墙结构中的耗能减震效果 [8] 钢板, 它的水平运动推动铅块发生剪切变形进而耗能 其基本性能参数包括阻尼器屈服力 F=(300 ±35)kN; 阻尼器的初始刚度 K=3 5 10 6 kn/m; 图 1 复合式金属阻尼器示意图 Fig 1 Diagramofthecompositemetaldamper 1 复合式金属阻尼器 复合式金属阻尼器如图 1 所示, 它由 3 部分构成 ( 图 2): 第 1 部分为纯度 99 9% 的铅, 是发挥阻尼器耗能的核心部分 ; 第 2 部分为上下盖板, 主要作用是约束铅的运动 ; 第 3 部分为中间的滑动 图 2 复合式金属阻尼器构造详图 Fig 2 Constructiondetailofthecompositemetaldamper 收稿日期 :2012-07-03 基金项目 : 十一五 国家科技支撑项目 (2009BAJ28B03); 国家教育部新世纪人才项目 (NCET-11-0914); 广东省科技计划项目 (2010B090400469); 广州市羊城者科技计划项目 (10A032D) 作者简介 : 李祥秀 (1987 ), 女, 博士研究生, 研究方向 : 结构抗震,lixiangxiu1005@163 com 通讯作者 : 谭平, 博士, 研究员, 博士生导师,ptan@gzhu edu cn 引文格式 : 李祥秀, 谭平, 刘淼鑫, 等. 复合式金属阻尼器在高层剪力墙结构中的应用 [J]. 桂林理工大报,2012,32 (3):391-395.
桂 ３ 林 理 工 大 报 年 阻尼器的第二刚度系数 α 阻尼器的行程 ±５ ｍｍ 该复合式金属阻尼器典型的滞回曲 线如图 ３所示 图 ３ 复合式金属阻尼器滞回曲线 Ｆ ３ Ｈｙ ｍ ｍ ｍ 工程结构与阻尼器布置 某高层剪力墙实际工程结构地下 层 地上 ３层 总高 ８ ７ｍ 位于 ８度设防区 本文通过 在结构上设置复合式金属 阻 尼 器 消 耗 地 震 能 量 从而达到 度 大震不倒 的设防目标 通过原 结构在小震下的地震响应分析 结构的 层 变形较 大 经 优 化 该 结 构 共 布 置 阻 尼 器 个 图 阻尼器布置图 Ｆ Ｄ ｍ ｗ 其中 Ｘ向 层布置 每层 个 共 个 Ｙ 向 ５层布置 每层 个 共 个 阻尼器的 平 立面布置图如图 所示 其中矩形标出位置 即为阻尼器布置位置 颜色加深的墙体是图 选 取的 ５片剪力墙 ３ 地震波的选取 对罕遇地震验算 拟采用 ３组强震地面运动 加速度记录作为非线性动力时程分析的地震输入 在 ３组强震记录中选取了 ３条地震波 一条为人 图 ５ ３条波的加速度反应谱和规范反应谱比较 Ｆ ５ Ｃ ｑ ｗ ｍ 工 波 另 外 两 条 天 然 波 分 别 为 ｗ 波 和 ｍ ｙ 波 将所选取的地震波的加速度反应谱 与规范反应谱相比较 图 ５ 满足规范要求的平 均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采 用的地震影响系数曲线在统计意义上相符 结构有限元模型 Ｐ ｍ ３Ｄ中混凝土压应力 应变关系采用三 折线模型 图 考虑强度损失和滞回刚度退化 效应 不考虑混凝土的受拉特性 钢筋的应力 应 图 混凝土的本构曲线 Ｆ Ｃ
第 ３期 李祥秀等 复合式金属阻尼器在高层剪力墙结构中的应用 ３３ 应变关系采用理想弹塑性模型 图 ７ 楼板采用 为 Ｘ轴方向 第 ３振型为扭转振型 第 ５ 振 刚性楼板 梁和连梁采用弹性杆 转角型塑性铰 型分别为 Ｘ向 Ｙ向跟扭转反应 计算模 图 ８ 模拟其非线性变形行为 采用纤维截面单 型较为合理 元模拟剪力墙的非线性特征 图 用弹性杆与 表 结构模态信息 ＢＲＢ单元模拟阻尼器 只考虑平面内的弯曲和剪 Ｔ Ｓ ｍ ｍ 模 切弹塑性性质 平面外采用弹性假定 态 ３ ５ 无控结构 周期 ７ ８ ５ ５ ３ ３ 有控结构 周期 ５ ５８ ７ ３５ ３５ ８ 振型 Ｙ向 Ｘ向 扭转 Ｘ向 Ｙ向 扭转 ５ 减震效果 在 度罕遇地震下结构的变形验算采用弹塑 图 ７ ＨＲＢ钢筋的本构曲线 Ｆ ７ Ｃ ＨＲＢ 性时程 分 析 方 法 根 据 建 筑 抗 震 设 计 规 范 ＧＢ ５ 表 ５５ ５规定 本文以 为控制 指标来评价结构在大震下的变形性能 本文按照 ８ ５的比例进行 Ｘ Ｙ方向地震波的输入 地震动加 速度峰值根据地勘报告取为 通过有限元 软件分析与计算 结构响应如图 所示 可以看 出 减震前原结构的 层变形较大 特别是在 人工波作用下的最大层间位移角不满足规范 的要求 结构加设阻尼器后层间位移角有了大幅度 的减小 Ｘ向减小幅度 ５ Ｙ向 由图 可以看出结构在加设阻尼器后在人工波作用下底 图 ８ 弹性杆 转角型塑性铰模型 Ｆ ８ Ｅ ｙ ｍ 图 剪力墙纤维单元模型 Ｆ Ｓ ｗ ｍ ５ 仿真分析 ５ 自振周期与振型 本文采用大型商业软件 Ｐ ｍ ３Ｄ对该结构 进行了模态分析 得到有控结构与无控结构的前 阶模态及周期信息 详见表 对模型振型进行分析 由于该建筑物 Ｘ方向 的长度比 Ｙ方向长 Ｘ方向的刚度比 Ｙ方向的刚度 大 所以第 振型在建筑物的 Ｙ轴方向 第 振型 图 ３条波作用下 Ｘ Ｙ方向层间位移角 Ｆ Ｄ Ｘ Ｙ ｑ ｍ
桂 ３ 林 理 工 大 报 年 对比减震前后剪力墙最大纤维压应变 可以看 出 减震后剪力墙压应变有了很大程度的减小 表 明阻尼器很大程度地消耗了地震输入到结构中的 能量 结构的变形有了很大程度的减小 结构的损 伤程度降低 减震后最大压应变减小了 ８ 结 论 本文通过对复合式金属阻尼器应用于某高层 剪力墙结构的地震反应分析 得到以下结论 复合式金属阻尼器具有良好的耗能能力 其滞回曲线饱满 塑性变形较大 对结构具有良 好的减震作用 通过合理布置阻尼器的个数和位置 可 以有效地消耗地震能量 减小地震对主要构件的 图 人工波作用下 Ｘ Ｙ方向底部剪力时程 Ｆ Ｂ ｍ ｙ Ｘ Ｙ ｍ 部剪力减小 左右 表明阻尼器很大程度地消耗 破坏力 使结构整体达到较好的抗震效果 ３ 度罕遇地震下 原结构的层间位移角 不满足规范 加设复合式金属阻尼器后结构的层 间位移角 Ｘ向减小 ５ Ｙ向减小 底 了地震输入到结构中的能量 具有良好的减震效果 层剪力反应得到了显著的削弱 减小幅度在 左右 加装金属阻尼器后 由于阻尼器的耗能作 ５３ 剪力墙单元变形情况 选取人工波作用下结构底层比较薄弱的几片 用 罕遇地震下 结构进入屈服的构件减少 屈 墙肢 图 颜色加深的墙肢 分析其最大纤维压 服耗能降低 结合 ＦＥＭＡ判断剪力墙可以实现防 应变时程 如图 所示 止倒塌状态 因此该结构可以 实 现 大 震 不 倒 的设防要求 参考文献 李钢 李宏男 新型软钢阻尼器的减震性能研究 Ｊ 振动与控制 ５ ３ ７ 李爱群 高振世 工程结构抗震与防灾 Ｍ 南京 东 南大出版社 ３ ３ 滕军 结构振动控制的理论 技术和方法 Ｍ 北京 科出版社 李爱群 工程结构减震控制 Ｍ 北京 机械工业出版 社 ７ ５ Ｋ Ａ Ｋ Ｎ Ｋ ｗｙ Ｒ ｍ ｘ ｍ Ｃ Ｎ ｗ Ｚ ＷＣＥＥ ８ 高健章 叶瑞荛 含金属耗能片斜撑之研究 Ｊ 中国 土木水利工程刊 ５ ７ ５ ５ 图 减震前后剪力墙最大纤维压应变时程曲线 Ｆ Ｍ ｘ ｍ ｍ ｍ ｍ ｗ ７ 闫维明 刘猛 李振宝 等 新型铅剪切阻尼器的数值模 拟试验研究 Ｊ 北京工业大报 ８ ３ ８ ８ ＧＢ５ 建筑抗震设计规范 Ｓ
第 3 期 李祥秀等 : 复合式金属阻尼器在高层剪力墙结构中的应用 395 PerformanceofCompositeMetalDamper forhigh RiseShearWalStructures LIXiang xiu 1,TANPing 2,LIUMiao xin 2,YANWei ming 1,ZHOUFu lin 2 (1 SchoolofCivilEnginering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China; 2 EarthquakeEngineringResearch&TestCenter,GuangzhouUniversity,Guangzhou510405,China) Abstract:Applicationofcompositemetaldamperinseismiccontrolofarealhigh riseshearwalbuildingstruc tureispresented.athree dimensionalrefinedfiniteelementmodelforthehigh riseshearwalbuildingises tablishedusingcommercialsoftwareperform 3D.A newenergydisipationdevice,namelycompositemetal damper,isemployedinthehigh riseshearwalbuilding.nonlineartimehistoryanalysisofthehigh rise buildingwithcompositemetaldampersisconductedtoinvestigatetheperformanceofthenovelmetaldamper. Numericalsimulationresultsshowthatthecompositemetaldampercangreatlyincreasetheadditionaldamping levelofthebuildingstructure,andthebaseshearofthehigh riseshearbuildingcanbereducedover20%. Thecompositemetaldamperisimportantinpracticalengineering. Keywords:compositemetaldamper;shearwalstructure;energydisipationsystem; nonlinearanalysis 檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴 桂林理工大报 编辑部更改电子邮箱的声明 由于桂林理工大的域名已由 glite.edu.cn 更改为 glut.edu.cn, 因此 桂林理工大报 编辑部的电子邮箱已更改为 xbz@glut.edu.cn, 原邮箱 xbz@glite.edu.cn 将于 2012 年 12 月 31 日停止使用 xbz@glut.edu.cn 将是 桂林理工大报 编辑部的专用邮箱, 敬请各位读者和作者按此邮箱地址联系和投稿, 由于更换邮箱给各位带来的不便敬请谅解 桂林理工大报 编辑部 地 址 :541004 广西桂林市建干路 12 号 桂林理工大报 编辑部 电 话 :0773-5896423 电子邮箱 :xbz@glut edu cn