httpqkscqueducn 第 卷第 期土木建筑与环境工程 年 月 $ ' ' ' $ ( *,* 阻尼器在框架结构中的优化布置策略 陈 敏 贺国京 刘 畅 邹银生 中南林业科技大学土木工程与力学学院 长沙 悉地国际设计顾问 深圳 有限公司 广东深圳 湖南大学土木工程学院 长沙 摘 要 基于基础隔震体系的动力特性提出将阻尼器安装在框架结构底部楼层的优化布置策略 首先通过计算场地特征频率 与减震结构底部隔震层固有频率 的比值初步确定结构底部安装阻尼器的楼层数 随后针对减震结构层间位移容许值 通过几次简单的试算即可最终确定所需的阻尼器数量及其安装位置 采用 ' 和 -,5 两种分析软件 选取 条实际强震纪录和 条人工模拟的加速度时程曲线对一栋 层的减震结构进行了弹性和弹塑性时程分析 表明在底部楼层安装阻尼器的减震结构具备与基础隔震体系类似的动力特性 关键词 阻尼器 基础隔震 层间位移 优化布置 时程分析中图分类号 文献标志码 $ 文章编号 *,*,, 3 5 ' 5 '' ' $ ' $ 6 ' ' ' ; ' -5@ 8 - ' - $8' ' '' ' ' 8' 8 ' ' ' ' ' ' 8 ' ' ',' ' ; '' ' ' ' ' ' ' ' > ' ' ' ' > 8'' ' ' '' '8 ' > '' ''8' 8 ' 8 ' ' ' ' '> ' ' '',' ' ' ' ' ' '' ',' > ' '> $ ' -,5' '''' ' ' 8'' ' ' 8 ' ' '',' ' 8 '' '8' ' '',' 消能减震技术在现代建筑中越来越得到重视 其常规设计方法是将阻尼器安装在允许的位 置 采用结构分析软件进行动力时程分析或静力非线性分析 验算其是否满足规范要求 此方法在两 收稿日期,, 基金项目 国家自然科学基金 作者简介 陈敏, 男 博士 主要从事结构抗震减震研究, *
httpqkscqueducn 陈 敏等'阻尼器在框架结构中的优化布置策略 第期 个方面存在不足 $阻尼器安装位 置 并不 理想不 能 很好的发挥其 减 震 效 果且 确 定 所 需 阻 尼 器 数 量 的 计 算 量 较 大 $对 建 筑 空 间 的 利 用 存 在 较 大 影 响' 衰减而 图 则 表 明 -- 不 同隔 震 装 置 阻 尼 比 增加G 呈不 同变 化趋势' 如-- f' 随 着 增加G 衰减而-- f' *随着 增加G 增加' 针对以上问题学者们进行了大量 研 究提 出了 相应 的对策' * O= 等 在 ** 年 和 ** 年 采 用 能 力 谱 方 法分别针对粘 滞 阻 尼 器 和 粘 弹 性 阻 尼 器 减 震 结 构 提出了确定所需附加阻尼比 的方法' 周云等 *也 做 了类似的研究基 于 顶 点 位 移 可 以 直 接 确 定 所 需 附 加阻尼比的大 小避 免 了 反 复 试 算' 但 仍 假 定 阻 尼 器在结构各层 中 均 匀 分 布或 无 控 结 构 层 间 位 移 大 小(各层基本振型位移大小按比例 分 布且 该方 法受 到 V85 方法适应范围的 限 制而 人 们 认 为 采 用 层间位移评价结构的抗震性能更 为可 靠' 针对 阻尼 器优 化 布 置 问 题 学 者 们 更 是 进 行 了 大 量 的 研 图 @ 多质点平动体系基础隔震结构动力分析模型 究 *但由 于 优 化 理 论 较 为 复 杂 而 难 以 推 广' 目 前设计者主要还是依据规范来指导 消 能减震结 构设 计规范认为阻 尼 器 安 装 在 层 间 位 移 较 大 的 楼 层 耗 能效果较好 *但结构安装阻尼器 以后结构 的薄 弱层可能改变' 本文基于基础隔震理论提出了 一 种阻尼器 在框 架结构中的优化布置策略只需选 择 较少 的阻 尼器 安装在结构底部 层或 者 层 即 可 取 得 满 意 的 减 震效果' 图 隔震结构 G -$- 的关系曲线 @ 基础隔震体系动力特性 基础隔 震 结 构 通 常 假 定 为 多 质 点 平 动 体 系 模 型 * 如图 所 示' 图 中J 为 结 构 底 板 的 质 量 为结构 第 层的 质量 为 结 构 第 层间水平刚度6J( -J 分 别 为 隔 震 装 置 水 平 刚 度 和 阻尼>( J( 分别 为 地 面 位 移(结 构 底 层 与 基 础 面之间的水平 相 对 位 移(上 部 结 构 第 层 对 结 构 底 层的水平相对 位 移 反 应' 地 震 作 用 下隔 震 体 系 运 动方程为 图 隔震结构 -$- 的关系曲线 (J > ( J $ > ( J ( $ ( ( 底部楼层安装阻尼器的减震系统 ' '-JJ ( 6JJ '* F *@ -*@ 6 *@ ' ( ( > ( J $ * $ 图 $为在底 部 层 安 装 阻 尼 器 的 减 震 结 构 其在地震 作 用 下 的 计 算 模 型 为 图 J$' 该 结 构 底 部两层可以当成隔震层隔 震 层 质 量 为 J *阻 尼 和刚度 分 别 为 HJ *和 J * > J 的 含 义 和 基 求解运动方程 组 $可 得 出 隔 震 结 构 加 速 度 反 应衰减比 G ' > 场地特征频率 - 与 隔震 装置 础隔震体系相同'该减震系统在地 震作 用下的运 动 的固有频率- 之 比 -- 隔 震 装 置 阻 尼 比 之 间 的关系曲线如图 (图 所 示 由 图 可 以 看 出 方程也可表示为式 $的形式故此 减震 系统亦具 备 隔震体系类似的动力特性' 当 -- 值在 附近时随着阻尼比 增加G 迅 速 层间位 移 为 中 国 建 筑 抗 震 设 计 规 范 * 抗震变
httpqkscqueducn 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 卷 值大于' 取' 时则 G 随 增加减小同样 会使隔震层受到的剪力(弯矩(及层 间位移 减 小' 然 后初步选定隔震楼层数和安装阻 尼器的 增 量最终 通过时程分析确定减震结构底部需 要安装 阻尼 器的 楼层数及阻尼器的数量' 实例分析 @ 工程概况 某 * 层框架结构 跨* 榀平面如图 所示' 边跨 ' =中跨' =间距' H=首层高' = 图 底部两层安装阻尼器减震结构动力分析模型 其余各层高 ' ='柱截面 尺 寸(混 凝 土 强 度 等 级( 形验算的主要 评 判 指 标而 层 间 位 移 由 受 力 位 移 与 非受力位移组成 柱单侧配筋面积如表 所 示'I 向框架 梁截 面 尺 寸 * 其 中 非 受 力 位 移 取 决 于 竖 向 构 分别为 **==K**== * ==K** == J向 件楼层处的截 面 转 角因 此 层 间 位 移 大 小 最 终 由 本 框架梁混凝 土 截 面 尺 寸 为 * ==K** ==标 准 层剪力(竖向构件顶端弯矩(及下层竖向构 件顶端 弯 层楼板厚*==屋面板厚*==梁板混凝土强 矩决定'首先假定底部隔震楼层的 数量通过 振型 分析得出隔震层的固有频率 -( -- 值' 减震 系统 度等级取 3 拟 采 取 消 能 减 震 措 施使 其 满 足 设 计地 震 分 组 第 组$ 类 场 地, 度 区设 计 基 本 地 与基础隔震系统一个关键不同之处是基础 隔 震 系统 震加速度值为 *K 的抗震设防要求' 的 -- 值必须大于 ' 更不能出现在共振区 即 的附近而减震系统的 -- 值如在 附近 却能 取得很好的减震效果'由图 知如 -- 值在 附 近则 G 随 增加迅速衰减即 减小将使结构上 部被隔震楼层 的 层 间 位 移 迅 速 衰 减同 时 使 结 构 隔 震层或底部楼 层 受 到 的 剪 力 和 弯 矩 减 小最 终 使 底 部薄弱层层间位 移 减 小当 达 到 一 定 值 时G 衰 减趋缓意味着 此 时 再 增 加 阻 尼 器 的 数 量 对 减 小 底 部薄弱层层间位移意义不大'如图 所示当 -- 图 框架结构平面示意图 表 @ 框架结构柱截面尺寸(单侧配筋面积与混凝土强度等级 层 * 层 楼层 截面尺寸== 单侧配筋面积== 截面尺寸== 单侧配筋面积== 边柱 **K** ** *K* *** 中柱 *K* H** **K**,** 边柱 **K** ** *K* H** 中柱 *K* H** **K**,** e;e* eeh 混凝土强度 3 3 注箍筋为 ***** 阻尼器布置策略 拟在结构底部 隔 震 层 安 装 粘 滞 阻 尼 器则 隔 震 层作为隔震层安 装 粘 滞 阻 尼 器 将 使 被 隔 震 楼 层 相 对加速度 衰减而使结构薄弱 层层 间位 移大 幅 减 层水平刚度为该层框架柱的抗侧 刚度' 假 定隔 震层 小从而取得较好的减震效果' 数量分别为 ( ( 层则 由 振 型 分 析 知 隔 震 层 的 固 分析验证 ' ' 弹 性 时 程 分 析 将 粘 滞 阻 尼 器 安 装 在 结 有频率分 别 为 ' *( ' ( ' **场 地 特 征 周 期 *> 为 则 -- 值 分 别 为 *( i*( ih' 由图 和图 可 知如 将 该 框 架 结 构 底 部 层 或 构底部 层如图 $所示每层安装阻尼器 * 个 分成 种工况列于表 '选择峰值加速度 为 '
httpqkscqueducn 陈 敏等'阻尼器在框架结构中的优化布置策略 第期 = 的 <Q3 波如图 $示用 有 限 元 程 序 对不同 工 况 进 行 多 遇 地 震 下 的 时 程 分 析峰 < J 得了更好的减震 消 能 效 果' 可 见由 条 地 震 波( 值加速度设定为 *= 绘制不同工况下结构最 动力特性提出阻尼器在框架结构中 的优 化布置策 略 大层间位移角曲 线 如 图, $所 示' 工 况 时薄 弱 取得了预期的减震效果' 层位置在第 层最 大 层 间 位 移 角 为 H已 满 足 种工况的弹性 时 程 分 析 结 果 表 明基 于 隔 震 系 统 的 表 不同工况时单个阻尼器参数与总阻尼系数 规范要求' 假 定 层 间 位 移 角 限 值 为,**则 需 增 大阻尼器的阻尼系数然工况 时对 上部楼层的 隔 震作用已趋于稳定图, $中 工 况 和工况 从 第 层到 第 * 层 的 层间位 移角曲 线 基本层 叠此 时薄 弱层在第 层大 于 假 定 的 位 移 角 限 值' 于 是 将 底 部 层设为隔震 层每 层 阻 尼 器 数 量 仍 为 * 个如 图 J$所 示增 加 工 况 和 工 况 列 于 表 ' 图, 中两条虚线为工 况 和 工 况 的 时 程 分 析 结 果由 于此时 -- 增至 ' H由 图 可 知 当 隔 震 层 阻 尼 比增至一定程度可使 G 减至 甚至更小因此工 工况 阻尼系数 (--=h$ 阻尼指数 HJ 安装位置 (--=h$ K* *K* 底部 层 *K* *K* 底部 层 ' *K* *K* 底部 层 ' *K*,*K* 底部 层 ' *K* *K* 底部 层 ' *K* *K* 底部 层 ' *K*,*K* 底部 层 况 的最大层间位移角明显减小' 表 列 出了 各种 工况下楼层剪 力 和 隔 震 层 框 架 柱 承 担 的 剪 力可 见 随着 H J 增加结 构 层 剪 力 或 隔 震 层 框 架 柱 承 担 的总剪力呈下降的趋势'在消能减 震 结构的设 计加 固中不光要验算层间位移是否满 足 规范尚需 对楼 层剪力(承受阻尼器轴力的梁柱节 点 进行 验算限 于 篇幅在此不详述' 图 F 减震结构立面示意图 H= 另 外 选 用 了 条 峰 值 加 速 度 为 ' 的 ( 8 >波和 条峰值 加速 度 为 ' = 的人工波如 图 J$( $所 示对 不 同 工 况 进 行 了 多遇地震下的 时 程 分 析并 绘 制 最 大 层 间 位 移 角 曲 线如图, J$和图, $所 示' 图, J$中 工 况 与 工 况 的减震效果比较接近与图, $情形类似而图, $中工况 的 减 震 效 果 明 显 优 于 工 况 ' 这 是 因 为人工波输入 的 地 震 能 量 较 小弹 性 时 程 分 析 时 尽 管将 条地震波的峰值加速度都设定为 *= 图 G 时程分析输入的地震波 但减震结构在 人 工 波 作 用 下 的 地 震 响 应 明 显 较 小' * ' ' 弹塑性 时程分析 中 国抗震 规范 认 为 消能减震结构应进行罕遇地震作用 下薄 弱层的弹 塑 由阻尼比计算公式 *知尽管安 装 的阻尼 系数 相同 性变形验算'相 对 于 弹 性 反 应结 构 进 入 弹 塑 性 后 但阻尼比大小 与 层 间 位 移 相 关' 同 样 地工 况 取 将出现以下 个特点 $结构非线性变形耗能可以
httpqkscqueducn 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 卷 表 峰值加速度设定为 @@O3'$ 时 3 $( 波作用下各楼层剪力值 VP 楼层 工况 无控 柱 柱 柱 H * H* H * H* H * *, H * H, H, H, * *,' H', H H, ' H ' * ** ' ', H *** H', *' *, H H* H' H' H' * H,' ' ',, *, *,,' H,' H', H, *H HH HH H * * H, * * H,, H * H H *,, HH, H 等效为阻尼耗能 $抗侧力构件屈服后刚度将减小' 采用非线性分 析 软 件 = S 对 工 况 ( ( ( 和 等 种工 况 进 行 了 罕 遇 地 震 下 的 弹 塑 性 时 程分 析此 时 将 峰 值 加 速 度 设 定 为 *= 分 析 结果反映了隔 震 体 系 的 动 力 特 性也 进 一 步 验 证 了 基于隔震理论 提 出 阻 尼 器 优 化 布 置 策 略 的 有 效 性' 但要确定非线性变形耗能与抗侧力 构件屈 服后 刚度 的变 化 十 分 困 难因 此 本 节 只 做 定 性 分 析' 图 H 分 别为 < 波( ( 8 > 波 和 人 工 波 作 用 下 最 大 层间位移角曲线' 由图 H $( J$( $ 个 曲 线 图 看 出不 同 工 况 在罕遇地震作用下表现出与多遇地 震下完 全不 同的 减震耗能特征'在图 H $中工 况 的 薄 弱 层 出 现 在底层其余 种工况的薄弱层出 现在第 层工况 的减震效果好于工况 工况 的减 震效 果好 于工 况 '图 H J$中工况 的 减 震 效 果 优 于 工 况 而 工况 的减震效果好于工况同样工况 的减震效 果优于工况 '图 H $中工况 的减震 效果最 差 但薄弱层出现在 底 层工 况 的 减 震 效 果 同 样 好 于 工况 而工况 的减震效果优于工况 ' 这实 质上 正是 隔 震 体 系 动 力 特 性 的 表 现图 表 明当 -- 值大于 ' 时隔震装置阻尼比 增加G 呈不 同变化趋势'减震结构底部隔震层 抗侧力 构件 进入 弹塑性后其固 有 频 率 - 减 小使 -- 值 增 加于 是便呈现出图 H 所示不同的减震效 果' 因 此减 震结 图 H 多遇地震下最大层间位移角曲线 构底部隔震层 数 的 确 定安 装 阻 尼 器 的 数 量 主 要 由
httpqkscqueducn 陈 敏等'阻尼器在框架结构中的优化布置策略 第期 弹性时程分析 确 定而 通 过 弹 塑 性 时 程 分 析 对 减 震 得到以下结论 结构进行罕遇地震下的变形验算确 保 其大震不倒 或 $将阻尼 器 安 装 在 房 屋 结 构 的 底 部 可 以 取 得 较好的减震效果这样可减少安装 阻尼 器 的位 置使 指定的性能需求' 建筑空间得到更好的利用' $减震结 构 底 部 安 装 阻 尼 器 楼 层 的 数 量 可 通 过计算 -- 值确定框架结构一般为 层所 需 阻尼器的数量主要由弹性时程分析确定' $隔震体 系 的 动 力 特 性 和 对 底 部 楼 层 安 装 阻 尼器减震结构 的 弹 性 和 弹 塑 性 时 程 分 析 表 明在 合 适的位置安装适量的阻尼器即可取 得很 好的减震 效 果并不是越多越好' 参考文献 *吕 西 林蒋 欢 军 '复 杂 高 层 建 筑 抗 震 与 消 能 减 震 研 究 进 展 -建筑结构学报** $ ' > F -'G 8V > 8b_ QP e Q =V I >P V J > - N >R ** $ ' *O= - O38 F FT O Z' = J 5 =V > V > P V = = 8 - < 8b_ $ ' <> >** *O= - O38 F F'S V = J > VV = =V = = - R <> >** $,,,' *周云汤统壁邓雪 松等 '耗 能 减 振 结 构 基 于 性 能 简 化 抗震设计方法研究 -土 木 工 程 学 报 **, $ 图 N 罕遇地震下最大层间位移角曲线 ' '6 P [8 `L> L NS> e R 结 论 在底部楼层安装阻尼器的减震 结 构可以用 基础 隔震系统运动 方 程 表 示因 而 具 备 隔 震 体 系 类 似 的 =V V = J = 8 > = -38 3 5 <> > W 8 =V **, $ ' *Q Z L> T Q \3' cv = U = 8 >P =V J J > V = > 动力特性但是并 不 会 因 场 地 特 征 频 率 - 与 减 震 结 - R <> > ** 构底部隔震层固有频率- 之比 -- 值在 附 近而 使被隔震楼层 的 地 震 响 应 放 大相 反 会 随 着 隔 震 层 *6 L Q' 3 > V = P * 迅 速衰 减可 当 阻 尼 阻尼比 的增加使被隔震 层 比增大到一定程度后G 会趋于稳定而当 -- 值 大于 ' 时情况变得复杂 -- 处于不同的区 域随着阻尼比增加呈现截然不同的减震效果' 论文基于基础隔震体系的动力 特 性提出阻 尼器 在框架结构中 的 优 化 布 置 策 略并 通 过 弹 性 时 程 分 析对无控和 种 有 控 工 况以 及 弹 塑 性 时 程 分 析 对 种有控工 况 对 此 优 化 策 略 进 行 了 分 析 验 证可 以 $ 8 J > > V = 5 >8 P =V > - R <> > ** H$ *Q5 cq 5P G'R =V 5 X PV5 8 V = = V 5 > 5 =J > - < 8b_ **H $* ' <> >, *朱礼敏钱 基 宏张 维 瞸 '大 跨 空 间 结 构 中 黏 滞 阻 尼 器 的位置优化研 究 -土 木 工 程 学 报** *$
httpqkscqueducn * 土木建筑与环境工程 第 卷 3 6= <8' ' 8,8 8 ' ', 熊仲明 王佳 郭瑜 基于耗能减震结构耗能装置的优化设置的研究 西安建筑科技大学学报 **, 6 < 8' ' ' 8 8'' ' ' $ ' ' **, 李宏男 曲激婷 基于遗传算法的位移型与速度型阻尼器位置优化比较研究 计算力学学报, 3 = 8 8' 8 ' 8 ', ', 8 ' ' 8 '' 6, 孙黄胜 陈士海 施卫星 黏滞阻尼器连接相邻结构减震 优化分析 世界地震工程 *, 8' 8 ' ( ' ' ' '> *, ; 6$ - ' '' ' 5 ; 6 ' $, 建筑抗震设计规范 北京 中国建筑工业出版社 周福霖 工程结构减震控制 6 北京 地震出版社 魏链 王森 论高层建筑结构层间位移角限值的控制 建筑结构 ** 8, 3 5 ',' 8 ', ' ' ** 8, 编辑 王秀玲 上接第 页 5 ' ' ' ' ' ' ' $ ' ' @'' ', ' 8 ' ' 5 ' @', 8 福原正志 正清治 筋 部材 *, - 高 度 断补 筋补 效果 * 关 - 实验研究 日本建筑学会论文报告集 昭和 年 李娟 级箍筋混凝土梁斜截面受力性能试验研究 5 长沙 湖南大学 中国建筑科学研究院 钢筋混凝土构件试验数据集 年设计规范背景资料续编 6 北京 中国建筑工业出版社 * 支运芳 蒋超 甘民 等 纵筋率对有腹筋约束梁受剪性 能影响的研究 重庆建筑大学学报 *, * < ; 6 '' ' ' ' ' ' ' ' > ' *,* 张川 陈臣 张百胜 集中荷载作用下纵筋率对钢筋混凝土无腹筋简支梁受剪性能的影响 重庆建筑大学学报 *, ' ' ' ' ' ' ' ' > ' *, 编辑 胡 玲