高烈度区框架结构混合减震设计方案比较分析_郑洋洋.pdf

河南科技Henan Science and Technology交通与土木工程总798期第4期2023年2月收稿日期：2022-11-16作者简介：郑洋洋（1997），男，硕士生，研究方向：建筑工程抗震分析。高烈度区框架结构混合减震设计方案比较分析郑洋洋（华北水利水电大学，河南郑州450045）摘要：【目的】我国高烈度区目前大多数单独使用BRB或黏滞阻尼器进行消能减震设计，而混合减震技术则可以实现两种阻尼器优势互补，大幅提高结构的抗震性能。【方法】本研究根据消能器不同的特性，在一栋13层框架结构中设计了四种混合减震方案。【结果】通过ETABS将这四种减震方案分别进行多遇、罕遇地震下的动力时程分析，并与无控结构进行对比，发现四种混合减震方案均可以有效提高结构的抗震性能。【结论】其中将黏滞阻尼器设置在底部楼层，BRB布置在层间位移角较大楼层的布置方案消能减震效果最佳，达到了提高抗震性能的目的。关键词：抗震；高烈度；BRB；黏滞阻尼器；混合减震中图分类号：TU352文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）04-0055-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.04.011Comparative Analysis of Hybrid Seismic Design Schemes for FrameStructures in High Seismic Intensity RegionsZHENG Yangyang(North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450045,China)Abstract:Purposes At present,BRB or viscous dampers are mostly used alone for energy dissipationand vibration reduction design in high seismic intensity areas in China,while hybrid vibration reductiontechnology can realize the complementary advantages of the two dampers and greatly improve the seismicperformance of structures.Methods In this study,according to the different characteristics of energydissipators,four hybrid damping schemes are designed in a 13 story frame structure.Findings ThroughETABS,the dynamic time history analysis of these four kinds of damping schemes under frequent andrare earthquakes is carried out respectively,and compared with the uncontrolled structure,it is foundthat the four kinds of hybrid damping schemes can effectively improve the seismic performance of thestructure.Conclusions Among them,the layout scheme with viscous dampers at the bottom floor andBRB at the floor with large inter story displacement angle has the best energy dissipation and vibrationreduction effect,achieving the purpose of improving the seismic performance.Keywords:anti-seismic;high intensity;BRB;viscous damper;hybrid dampin0引言目前，阻尼器可分为速度相关型和位移相关型两种1。黏滞阻尼器属于速度相关型阻尼器，其耗能能力与阻尼器两端速度有关，阻尼器两端速度越快，相应阻尼力越大，耗能作用越显著。屈曲约束支撑(BRB)属于位移相关型阻尼器，其通过屈服变形来消耗地震能量，其变形越大，耗能效果越显著2。许多工程表明3，黏滞阻尼器在多遇和罕遇地震下均能发挥不错的耗能效果，有效地减小地震破坏作用，但不能为结构提供附加刚度且价格相对较高。在结构侧向刚度较小时，对结构的减震效果也56第4期郑洋洋.高烈度区框架结构混合减震设计方案比较分析会减弱。BRB在多遇地震下会为结构提供附加刚度用于控制变形，对层间位移角的控制效果十分显著，罕遇地震下则屈服耗能并提供附加刚度，且价格相对较低。但BRB提供的附加刚度也会使结构受到的地震作用增大。BRB与黏滞阻尼器存在明显的互补关系，多遇地震下黏滞阻尼器可以改善BRB不消耗地震能量的缺陷，罕遇地震下BRB可以为结构提供黏滞阻尼器提供不了的刚度4。只要通过合理设计，充分发挥各自的优势，实现刚柔并济，就可以有效减小结构的地震破坏作用，提高结构的抗震性能5。1工程概况本研究选用某框架结构为研究对象，其中首层层高为4.2 m，其余层高为3.6 m，建筑高度47.4 m，其结构如图1所示。结构的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值0.2 g，结构设计使用年限为50 a，场地类别为类，场地特征周期Tg=0.4 s，地震分组为第二组。2地震波的选取依据 建筑抗震设计规范（GB 500112010）（2016 年版）的规定，并结合工程实际情况，选择2 条天然波与 1 条人工波对结构进行动力时程分析，3条地震波均符合规范要求。但由于篇幅有限，选择天然波1（EL Centro波）的分析结果进行讨论分析。通过Etabs将天然波1分别输入4种方案模型中，通过动力时程分析（FNA法）得到4种方案的层间剪力、位移、位移角等楼层响应。3方案设计消能器的布置根据沿高度方向均匀分段的布置原则，再根据两种消能器不同的力学性能特点，将黏滞阻尼器和BRB同时设置在混凝土框架结构中，得到4种不同的混合减震方案。4种方案均选择其中6层布置消能器，每层X向布置8个，Y向布置4个。4种方案的布置形式及位置如图2所示。方案一：为控制底部抗侧刚度和控制层间位移，将BRB布置在下部2、3、4层，上部布置黏滞阻尼器在6、8、10层控制楼层速度。方案二：为减小底部剪力，将黏滞阻尼器布置在下部2、3、4层，上部在6、8、10层位移角相对较大的楼层布置BRB控制上部楼层位移。方案三：采用逐步布置法6，先通过反应谱分析，将BRB放置在结构层间位移角最大的第4层，再通过反应谱分析找到层间位移角最大的楼层放置BRB，以此类推。将BRB布置在4、5、6层。因设置BRB会使楼层上部速度加快，将黏滞阻尼器均匀布置在8、10、12层控制上部楼层速度。方案四：在方案三BRB设置在4、5、6层的基础上，将黏滞阻尼器布置在下部2、3层及上部8层控制底部剪力和上部楼层速度。黏滞阻尼器与BRB参数如表1所示。4不同设计方案的计算结果分析4.1结构模态分析将各方案中模型运用 ETABS 提取结构的周图1模型示意图图2消能器结构立面布置图方案一方案二方案三方案四BRB有效刚度/kN.m-1屈服力/kN屈服后刚度比屈服指数芯材243 4981 0000.022Q235黏滞阻尼器阻尼系数kN（s/mm）0.3阻尼指数最大阻尼力/kN最大行程/mm1500.345012表1消能器的性能参数第4期57期，各方案前三阶振型动力特性如表2所示。各振型参与质量之和不小于总质量的90%7，从表2可看出，各方案双向质量参与系数均大于90%，满足规范要求。4.2结构楼层剪力分析由图3可知，多遇地震下，4种减震方案的楼层剪力值均被无控结构的楼层剪力值包络，表明4种减震方案均有一定的减震控制效果。其中方案二在4种混合方案中对楼层剪力的控制效果最佳。由图4可知，罕遇地震下，对比4种混合减震方案，可以看出方案二对结构的层间剪力控制效果最好，方案四次之，说明将黏滞阻尼器布置在框架结构底部楼层可以有效控制结构层间剪力。由表 3可知，罕遇地震下方案二的基地剪力控制率为X向18.88%，Y向16.65%，方案四的基地剪力控制率为X向16.77%，Y向15.19%，远高于方案一和方案三。说明将黏滞阻尼器置于结构底部楼层可减小地震反应，BRB置于层间位移角相对较大楼层控制结构位移的方案可以有效降低结构的基地剪力。4.3结构顶点位移分析由表4可知：4种混合减震方案的顶点位移值均被无控结构的顶点位移值包络，表明4种减震方案均对结构的顶点位移值有一定的控制效果。且无论在多遇地震还是罕遇地震下，方案二的结构顶点位移控制率都最高，多遇地震下X、Y向顶点位移控制率分别为 17.43%、26.86%。罕遇地震下 X、Y向顶点位移控制率分别为 14.87%、13.65%。说明将黏滞阻尼器布置在结构底部楼层用来减小结构的地震反应，BRB设置在结构位移角相对较大楼层控制结构位移的方案可以有效减小结构顶点最大位移。图3多遇地震下楼层剪力层间剪力/kN楼层15 00010 0005 0000051015无控结构方案一方案二方案三方案四郑洋洋.高烈度区框架结构混合减震设计方案比较分析表2不同方案周期对比自振周期/s周期比质量参与系数/%振型阶数123X向Y向无控结构2.0451.7091.670.8293.9193.31方案一2.0421.7051.6670.81694.8894.14方案二1.9481.5931.5220.78195.2994.22方案三1.8941.5511.4650.77394.8994.15方案四1.8941.5511.4620.77194.8394.28图4罕遇地震下楼层剪力层间剪力/kN80 00060 00040 00020 0000楼层10无控结构方案一方案二方案三方案四1550表3罕遇地震下各方案基地剪力对比方案无控结构方案一方案二方案三方案四方向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向X向Y向基地剪力/kN71 328.4772 361.2563 497.8064 341.8657 862.3660 311.6766 582.3966 882.4558 654.8961 371.08减震率/%10.9811.0818.8816.656.657.5816.7715.19表4不同方案结构顶点位移方案原结构方案一方案二方案三方案四地震类型多遇地震罕遇地震多遇地震罕遇地震多遇地震罕遇地震多遇地震罕遇地震多遇地震罕遇地震结构顶点位移/mmX向35.068200.14430.782181.21828.956170.38229.410175.66929.629174.669Y向50.334287.2739.277260.31336.814248.07437.473257.07439.182258.522控制率/%X向12.229.5017.4314.8716.1312.2315.5112.73Y向21.979.3826.8613.6525.5510.5022.1511.6258第4期郑洋洋.高烈度区框架结构混合减震设计方案比较分析4.4结构层间位移角分析由表5可知：多遇地震和罕遇地震下，4种减震方案的楼层位移角最大值均满足规范要求限值。且4种减震方案都可以有效改善结构层间位移角较大楼层的变形。4种减震方案中方案二对最大层间位移角的控制率最显著，多遇地震下X、Y向的控制率分别达到 27.57、18