科技导报 05,(8) 位移与速度型消能器在某不规则建筑结构抗震设计中的混合应用, 赵少伟, 崔红娜, 李玉祥, 高洪健. 河北工业大学土木工程学院, 天津 0040. 河北省土木工程技术研究中心, 天津 0040 摘要某工程为细腰不规则超限结构, 选择纯框架结构, 扭转周期比和层间位移角均不满足规范要求 考虑到建筑外立面效果, 不能在外立面布置剪力墙, 同时在不影响建筑使用功能的前提下, 也没有合适的位置布置全部钢支撑 因此, 经方案比选采用了 附加黏滞流体阻尼器和屈曲约束支撑的消能减震结构方案 运用 ETABS 结构分析软件, 建立三维有限元模型, 采用振型分解反 应谱法对无控结构 附加黏滞流体阻尼器结构和同时附加黏滞流体阻尼器及屈曲约束支撑结构进行计算分析, 对比分析了 种 结构的动力特性和地震反应 最后, 采用时程分析法对振型分解反应谱法进行了补充计算 结果表明, 黏滞流体阻尼器降低了 结构的地震反应, 而屈曲约束支撑降低结构地震反应的同时增加了结构刚度, 有效控制了结构的扭转效应 关键词 黏滞流体阻尼器 ; 屈曲约束支撑 ; 层间位移角 ; 层剪力 ; 振型分解反应谱法 中图分类号 TU75.4 文献标志码 A doi 0.98/j.issn.000-7857.05.8.009 Combined application of displacement- related and velocity- related energy dissipation devices in the aseismic design of an irregular building structure ZHAO Shaowei,, CUI Hongna, LI Yuxiang, GAO Hongjian. College of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 0040, China. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Tianjin 0040, China Abstract A wasp-waisted and irregular overrun building is in consideration. When a pure frame structure is selected, the torsional period ratio and the inter-story drift do not satisfy the requirements in the standards. In view of the external elevation appearance, the arrangement of shear walls on the front plane is not allowed. And there is no suitable position for laying all steel bracing. After a comparison of various schemes, the seismic control plan is designed by using fluid viscous dampers and buckling-restrained braces. In this paper, a three- dimensional finite element model of the structure is established by the ETABS for the calculations of the uncontrolled structure, the structure installed with fluid viscous damper and the structure installed with fluid viscous damper and buckling- restrained brace by the modal shape decomposition response spectrum method. Then, the comparison and analysis of the dynamic characteristics and the seismic response of the three structures are made. Finally, the time- history analysis is carried out. The results show that the fluid viscous damper and the buckling- restrained brace can all reduce the seismic responses effectively. Besides that, the buckling-restrained braces can control the torsion effectively. Keywords spectrum method fluid viscous damper; buckling- restrained brace; inter- story drift; floor shear; mode- shape decomposition response 收稿日期 :05-0-08; 修回日期 :05-07-0 作者简介 : 赵少伟, 教授, 研究方向为工程检测与加固技术, 电子信箱 :zhaoshaowei@vip.sina.com; 崔红娜 ( 共同第一作者 ), 硕士研究生, 研究方向为工程抗震, 电子信箱 :cuihongna008@6.com 引用格式 : 赵少伟, 崔红娜, 李玉祥, 等. 位移与速度型消能器在某不规则建筑结构抗震设计中的混合应用 [J]. 科技导报, 05, (8): 56-6. 56
科技导报 05 8 消能减震自 0 世纪 60 70 年代起备受关注 作为一个 新的课题 消能减震技术涉及很多领域 至今仍有试验研究 和理论论证 被动消能减震技术利用附加于主体结构上的 耗能装置 在发生地震尤其是大震时 先于主体结构屈服耗 散能量 并提供必要的刚度和阻尼 实现将可能发生于主体 结构的破坏转移到易于更换的耗能装置上 达到经济安全的 目的[] 近年来 随着减震结构的推广应用 提出了多种消能减 震设计和分析 周云等[]提出了消能减震结构强振型分解反 应谱法和消能减震结构的应用设计方法 欧进萍等 [] 根据速 度 位移相关型消能器的特点提出了速度 位移相关型耗消 图 能器的等效刚度 等效阻尼的计算方法 Lin 等 [4] 提出了直接 Fig. 基于位移的减震结构设计方法 翁大根等 [5] 提出基于性能和 需求的消能减震设计方法 张志强等 [6] 提出以位移和能量为 指标的基于性能的消能减震结构的抗震设计方法 以上减 震结构设计方法都有很强的理论性 对设计者来说难以操 作 目前应用最为广泛的仍是 GB 500 00 建筑抗震设 [7] 计规范 中的设计方法 标准层结构平面 Structure plan view of standard layer 计算模型及动力特性分析 为了研究结构动力特性并为结构减震设计提供依据 采 用 ETABS 结构分析软件 建立结构的三维有限元模型 如图 所示 实际工程中 普遍使用的耗能装置有位移相关型和速度 相关型 对于已有结构的加固 有些工程中同时应用两种耗 y z 能装置 但新建工程中大多只采用一种类型 随着消能减震 x 技术的发展 对于新建建筑中消能装置联合抗震的研究将会 越来越多 本文以一个细腰不规则超限结构工程为背景 通过对无 控结构 附加黏滞流体阻尼器结构和同时附加黏滞流体阻尼 器及屈曲约束支撑结构的振型分解反应谱分析[,8] 研究黏滞 流体阻尼器和屈曲约束支撑对不规则框架结构的抗震性能 的影响 工程概况及结构设计 本工程位于天津市北辰区 根据天津市 关于提高我市 图 Fig. Three-dimensional finite element model of the structure 学校 医院等人员密集场所建设工程抗震设防标准的通知 建设[0]649 号文件 及 GB 500 00 建筑抗震设计 规范 [7]规定 本工程为位于 7 度 0.5 g 分区的学校 地震动 峰值加速度提高至 0.0 g 并按 8 度采取抗震措施 结构体 系为框架结构 设计使用年限 50 年 安全等级二级 建筑场 地类别为 III 类 特征周期为 0.55 s 建筑地下 层 地上 8 层 标准层高为 5. m 结构总高度 40.5 m 建筑大部分楼层平面 对未附加消能减震装置的无控结构进行模态分析 得结 构的自振周期 如表 所示 表 Table 振型 准层平面如图 所示 主楼东 西立面外倾 倾角为 0 对 构扭转效应 对结构进行建模分析 得出多遇地震下结构的 结构进行常规设计 在不影响使用要求的情况下尽量减小结 x y 向的最大层间位移角均为 /0 且均在第 5 层 不满足 GB 500 00 规范 /550 的限值要求 由于建筑与结构的 限制 采用传统 硬抗 设计无法满足抗震要求 故需采用附 加耗能减震装置提高结构的抗震能力 无控结构的动力特性 Dynamic characteristics of uncontrolled structure 振型质量参与系数/% 呈细腰的 工 字形 平面外围尺寸 74 m 84 m 仅第 层 单 侧封板 第 6 层及第 8 层细腰处封板后楼层平面呈梯形 标 三维有限元模型 周期/s x向 y向 z向.9 56.95 0.06 0.4.7..8 4.9.85 0. 55. 0.5 由表 可以看出 结构的第 振型为以 x 向平动为主 振 型参与系数为 56.9% 第 振型为以 y 向平动为主 振型参与 系 数 为 55.% 第 振 型 为 以 扭 转 为 主 振 型 参 与 系 数 为 57
科技导报 05 8 4.% 结构的振型第 阶出现扭转振型 满足 高层建筑混. 扭转振型的规定 结构的第 平动周期为 T=.9 s 第 扭 并进行模态分析 得到两种方案下结构的动力特性 表 凝结构技术规程 中高层建筑结构的第 阶振型不能出现 转周期 T 扭 =.7 s 扭转周期比为 T 扭/T=0.90 不满足 GB 动力特性分析 采用 ETABS 结构分析软件 建立减震方案的结构模型 表 500 0 建筑抗震设计规范 中 A 级高度的高层建筑 Table 结构扭转为主的第 自振周期与平动为主的第 自振周期之 比不应大于 0.9 的规定 [7] 故需要附加能够提高结构抗扭刚 方案 振型 方案 度的耗能减震装置 结构减震设计与分析. 结构减震设计 为减小结构层间位移 使其满足 GB 500 0 建筑 抗震设计规范 要求 在结构上附加减震装置以达到减震效 果 [9,0] 本文设计了两种减震方案 方案 为只附加黏滞流 体阻尼器[] 选用黏滞流体阻尼器的阻尼系数为 700 kn/(m 方案 s- )a 阻尼指数 a 为 0. 最大行程为±70 mm 最大阻尼力为 00 kn 根据无控结构的地震反应 黏滞流体阻尼器均匀 结构的动力特性 Dynamic characteristics of structure 周期/s 振型质量参与系数/% x向 y向 z向 0.0844 0.476.807 4.79.56.74.9047 56.860.777.77.8484 0.7 55.06.987.5085 45.969.74.44 0.776.704 45.4778 0.65 0.67 4.798 周期比 T 扭/T= 0.90 T 扭/T= 0.840 由表 和表 可以看出 种结构的前两阶模态均为平 地布置在层间位移较大的第 4 5 6 7 8 层 每层布置 5 动 第 阶模态为扭转 无控结构和方案 结构的周期比均 在方案 的基础上 为了使结构 x y 方向上的动力特性接近 求 由此可知 仅布置黏滞流体阻尼器 对结构的自振周期 个 方案 为附加黏滞流体阻尼器后再附加屈曲约束支撑 尽量使结构的质量中心与刚度中心重合 结构每层均匀设置 屈曲约束支撑 考虑到结构的布局及安装要求 在结构的外 立面设置型号 JY-SD-7000 的屈曲约束支撑 楼电梯间周围 设置型号 JY-SD-6000 的屈曲约束支撑 其平面布置如图 所示 屈曲约束支撑参数如表 所示 为 0.90 不 满 足 GB 500 0 建 筑 抗 震 设 计 规 范 要 没有影响 说明黏滞流体阻尼器不改变结构刚度 方案 的 周期比为 0.840 满足 GB 500 0 建筑抗震设计规范 要求 对比方案 和方案 可知 附加屈曲约束支撑的结构 自振周期发生较大的改变 表明附加屈曲约束支撑后结构刚 度发生了变化. 地震反应分析 为表述方便 种结构分别定义为表 4 所示 个工况 表 4 种工况的结构类型 Table 4 Structure types of three operating conditions 工况 结构类型 工况 无控结构 工况 工况.. 图 黏滞流体阻尼器和屈曲约束支撑平面布置 Fig. Plane layout of fluid viscous damper and buckling-restrained brace 表 Table 方案 结构 方案 结构 层间位移角的对比分析 图 4 中 0 层为结构地下 层 0 层为机房屋面 由图 4 和 图 5 可看出 各工况中第 5 层的层间位移角最大 相比于无 控结构 方案 的层间位移角最大值下降约 0% 而方案 又 较方案 的层间位移角最大值下降约 5% 多遇地震时 无 屈曲约束支撑参数 Parameters of buckling-restrained braces 控结构与方案 的最大层间位移角分别是 /0 和 /4 均 不符合 GB 500 0 建筑抗震设计规范 中 /550 的限值 要求 [8] 而附加黏滞流体阻尼器与屈曲约束支撑的结构的层 产品参数 产品构件长度/mm 屈服力/kN 极限力/kN JY-SD-6000 6000 6000 7000 JY-SD-7000 58 900 7000 8000 间位移角最大值为 /677 满足 GB 500 0 建筑抗震设 计规范 要求 此外可看出 结构在第 9 层和第 0 层 方案 的层间位移角值小于方案 的层间位移角值 可能是由屈曲 约束支撑的布置导致第 0 层相对柔性变大所引起 罕遇地
科技导报 05 8 震时 对同时附加 种耗能装置的结构进行弹塑性变形验算 弹性分析的层间位移角最大值为 / 考虑弹塑性层间位 移增大系数后 弹塑性变形满足 GB 500 0 建筑抗震 设计规范 要求[8] a x 向层间位移角 b y 向层间位移角 图4 Fig. 4 多遇地震时各工况层间位移角 Inter-story drift under three operating conditions under frequent earthquake action a x 向层间位移角 图5 Fig. 5.. b y 向层间位移角 罕遇地震时各工况层间位移角 Inter-story drift under three operating conditions under rare earthquake action 层剪力的对比分析 由图 6 a 图 7 a 可知 种工况的层间剪力值由大到 小的顺序依次是无控结构 方案 结构和方案 结构 黏滞 流体阻尼器的设置增加了结构的阻尼比 但是不增加结构 b y 向层间剪力 a x 向层间剪力 图6 Fig. 6 多遇地震时各工况的层间剪力 Floor shear under three operating conditions under frequent earthquake action 59
科技导报 05,(8) 的刚度, 所以方案 的层剪力值最小 ; 而方案 屈曲约束支 撑的设置, 增加了结构的阻尼比, 也加大了结构的刚度, 降 低了结构的自振周期, 从而加大了结构的地震反应, 所以方 案 的层间剪力值大于方案 由图 6(b) 图 7(b) 可知, 在 第 5 6 层处的 y 向, 方案 的层间剪力小于方案, 这应该是 由屈曲约束支撑在 y 向上各楼层的布置数量差异引起 (a)x 向 (b)y 向 Fig. 7 图 7 罕遇地震时各工况的层间剪力 Floor shear under three operating conditions under rare earthquake action 4 减震结构时程分析 由于本结构为不规则结构, 抗震 GB 500 0 建筑 抗震设计规范 规定, 复杂工程应采用时程分析进行多遇地 震下的补充计算 选取 条天然地震波 波 和 Palm Springs 波和 条人工波 波, 考虑双向地震作用, 水 平主向 次向的加速度峰值按 GB 500 0 建筑抗震设 计规范.0 0.85 的比例系数进行调幅, 对减震结构进行多遇 和罕遇地震时程分析 4. 多遇地震时程分析 对附加黏滞流体阻尼器和屈曲约束支撑的减震结构进 行多遇地震下的时程分析, 结构的地震反应如表 5 和表 6 所示 由表 5 可以看出, 时程分析时, 条波作用下层间位移角 最大值均小于反应谱计算结果 这说明根据振型分解反应 表 5 多遇地震作用下结构层间位移角 Table 5 Inter-story drift under frequent earthquake action 非线性分析层间位移角 时程分析法反应谱法 Palm Springs x 向 /87 /044 /8 /89 /677 y 向 /690 /0 /807 /895 /657 谱法计算的结构层间位移角结果设计偏于安全 GB 500 0 建筑抗震设计规范 规定 : 弹性时程分 析时, 所选每条时程曲线计算所得的结构底部剪力应不小于 振型分解反应谱法计算结果的 65%, 多条时程曲线计算所得 结构底部剪力的应不小于振型分解反应谱分析计算 结果的 80% 由表 6 可知, 所选 条地震波满足 GB 500 0 建筑抗震设计规范 要求, 是合理的 表 6 多遇地震作用下结构首层地震剪力 Table 6 Floor shear under frequent earthquake action 非线性分析地震剪力 /kn 时程分析法反应谱法 Palm Springs x 向 4687.5 6768.0 4077.8 974.45 4900.68 y 向 4947.6 985.9 88.80 79579 46960. 4. 罕遇地震时程分析 对附加黏滞流体阻尼器和屈曲约束支撑的减震结构进 行罕遇地震下的时程分析, 结构的地震反应如表 7 和表 8 所示 由表 7 及表 8 可知, 对于最大层间位移角和首层剪力, 总 体来说, 时程分析结果比振型分解反应谱法小, 因此根据振 型分解反应谱法进行结构设计是偏于安全的 60
科技导报 05,(8) 表 7 罕遇地震作用下结构层间位移角 Table 7 Inter-story drift under rare earthquake action 时程 Palm Springs 分析法反应谱法表 8 非线性分析层间位移角 x 向 y 向 /9 /98 /46 /58 / / /8 / / /08 罕遇地震作用下结构首层地震剪力 Table 8 Floor shear under rare earthquake action 非线性分析地震剪力 /kn 时程分析法反应谱法 Palm Springs x 向 9695.0 4859.00 07694.00 5869.4 94660. y 向 4.5 9560.07 07904.00 8708.86 8486.60 5 结论以实际工程项目为例, 比较了附加黏滞流体阻尼器结构和附加黏滞流体阻尼器及屈曲约束支撑结构的减震效果 ) 结构附加黏滞流体阻尼器后, 扭转周期比与无控结构相同, 可见黏滞流体阻尼器没有改变结构的刚度和自振周期, 不能改善结构的扭转效应 附加屈曲约束支撑后扭转周期比减小, 可见屈曲约束支撑改变了结构的刚度和自振周期, 能有效减小结构的扭转效应 ) 设置黏滞流体阻尼器后结构层间位移角最大值下降了 0%, 而同时设置黏滞流体阻尼器和屈曲约束支撑的结构又较只附加黏滞流体阻尼器的结构层间位移角最大值下降了 5% ) 层剪力大小依次为无控结构 附加黏滞流体阻尼器及屈曲约束支撑结构和附加黏滞流体阻尼器结构, 可见, 由于附加了屈曲约束支撑, 增大了结构的刚度, 导致结构的层剪力增大 4) 用时程分析法对振型分解反应谱法进行补充计算, 证明了采用振型分解反应谱法的合理性 参考文献 (References) [] 于敬海, 姜旋. 被动消能减震技术的工程应用分析 [J]. 低温建筑技术, 04(): 46-48. Yu Jinghai, Jiang Xuan. Application analysis of seismic energy dissipation technique[j]. Low Temperature Architecture Technology, 04(): 46-48. [] 周云, 周福霖. 耗能减震体系的能量设计方法 [J]. 世界地震工程, 997, (4): 8-. Zhou Yun, Zhou Fulin. Energy design method for structural system with energy dissipative devices[j]. World Information on Earthquake Engineering, 997, (4): 8-. [] 欧进萍, 吴斌, 龙旭. 耗能减振结构的抗震设计方法 [J]. 地震工程与工 程振动, 998, 8(): 0-05. Ou Jinping, Wu Bin, Long Xu. Seismic design method of energy dissipation system[j]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 998, 8(): 0-05. [4] Lin Y Y. Direct displacement- based design for building with passive energy dissipation systems[j]. Engineering Structures, 00, 5: 5-7. [5] 翁大根, 张瑞甫, 张世明, 等. 基于性能和需求的消能减震设计方法在 震后框架结构加固中的应用 [J]. 建筑结构学报, 00( 增 ): 66-68. Weng Dagen, Zhang Ruifu, Zhang Shiming, et al. Application of energy dissipation method in post- earthquake RC frame retrofit based on performance and demand[j]. Journal of Building Structure, 00(Suppl ): 66-68. [6] 张志强, 李爱群. 建筑结构黏滞阻尼减震设计 [M]. 北京 : 中国建筑工 业出版社, 0. Zhang Zhiqiang, Li Aiqun. Viscous damper in the aseismic design of building structure[m]. Beijing: China Building Industry Press, 0. [7] 中国建筑科学研究院. GB 500 00 建筑抗震设计规范 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社, 00. China Academy of Building Research. GB 500 00 Code for seismic design of buildings[s]. Beijing: China Architecture & Building Press, 00. [8] 李爱群, 丁幼亮. 工程结构抗震分析 [M]. 北京 : 高等教育出版社, 00. Li Aiqun, Ding Youliang. Aseismic analysis engineering structures[m]. Beijing: The High Education Press of China, 00. [9] 周云. 防屈曲耗能支撑结构设计与应用 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版 社, 007. Zhou Yun. The design and application of the structure with bucklingrestrained brace[m]. Beijing: China Building Industry Press, 007. [0] 周云, 邓雪松, 汤统壁, 等. 中国 ( 大陆 ) 耗能减震技术理论研究 应用 的回顾与前瞻 [J]. 工程抗震与加固改造, 006, 8(6): -5. Zhou Yun, Deng Xuesong, Tang Tongbi, et al. State of the art and prospect of energy dissipation technology in China Mainland[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 006, 8(6): -5. [] 叶正强, 李爱群, 楼宇. 粘滞流体阻尼器用于建筑结构的减震设计原 理与方法 [J]. 建筑结构, 008, 8(8): 87-90. Ye Zhengqiang, Li Aiqun, Lou Yu. Design principle and method of structural vibration energy dissipation using fluid viscous dampers[j]. Architectural Structure, 008, 8(8): 87-90. ( 编辑 陈华姣 ) 6