1、消能减震结构动力弹性时程分析摘要：越来越多的消能减震技术运用于结构的抗震加固中，如云南某建筑采用剪切型阻尼器降低结构地震反应。本文简要介绍剪切型阻尼器构造，采用有限元软件对该结构进行加固前和加固后动力弹性时程分析，分析结果对比表明：该消能减震结构不仅能满足规范要求，而且能显著提高结构在地震作用下的抗震性能。 关键词：剪切型阻尼器；动力弹性时程分析；抗震性能 中图分类号： TU352.1 文献标识码： A 引言 剪切型阻尼器由耗能钢板（剪切钢板） ，翼缘板，加劲板及连接板组成。耗能钢板是阻尼器的核心部分，受力时消耗能量。加劲板布置于耗能钢板两侧，一侧采用横向加劲，另一侧采用竖向加劲，防止耗能钢板
2、局部屈曲，对于加劲板而言，不仅要防止局部屈曲，还要有足够的刚度形成固定边界以延缓腹板局部屈曲的发生1。翼缘板主要是为阻尼器提供面外刚度，防止面外刚度过小而出现阻尼器面外较面内先屈服。连接板是阻尼器与结构的连接构件，可通过螺栓或焊接与结构构件连接。剪切型阻尼器的原理是利用剪切板平面内产生剪切变形以达到消能减震的目的，其滞回曲线稳定，疲劳性能好，变形能力强，是一类理想的耗能减震产品。 工程概况 本工程为 7 层钢筋混凝土框架结构，1 层层高为 5.7m，23 层层高为4.2m，47 层层高为 3.6m。各层梁、板混凝土强度等级为 C30，柱混凝土强度等级为 C40。所有梁、柱、板纵向受力钢筋为 H
3、RB400，箍筋为HRB335。 建筑抗震设防类别乙类，结构安全等级一级，设防烈度为 8 度（0.2g） ，地震分组为第二组，场地类别 II 类，框架抗震等级一级，场地特征周期 0.4s。本文采用 Midas/Gen 软件进行结构加固前和加固后动力弹性时程分析。 结合建筑平面及结构平面特点，在结构的 24 层布置支撑式剪切型阻尼器，每个楼层 X、Y 向各布置两组，共计 12 组支撑式剪切型阻尼器，X、Y 向各 6 组。剪切型阻尼器考虑多遇地震耗能，提供附加阻尼比3.5%，结构固有阻尼比 5%，结构总阻尼比为 8.5%。阻尼器的布置位置如图 1 所示。 动力弹性时程分析 本文选取三条天然地震波，
4、地震波的选取符合 II 类场地及场地特征周期 0.4s 的要求，地震波的时程及影响系数曲线如图 2 所示，地震波对应的地震影响系数曲线均与规范规定的场地的反应谱接近，说明所选地震波是符合要求的。 图 1 阻尼器平面布置图 a) 地震波 1 b) 地震波 2 c) 地震波 3d)对应的地震影响系数曲线 图 2 天然地震波时程曲线及地震影响系数曲线 3.1 加固前后层间位移角对比 结构加固前后最大层间位移角见下表 1，由表可知，加固前结构最大层间位移角不满足建筑抗震设计规范25.5.1 条的规定，加固后结构最大层间位移角满足建筑抗震设计规范5.5.1 条的规定。可见，在结构中增设剪切型阻尼器可以减
5、小地震作用下结构的层间位移，即降低结构地震作用反应。 表 1 结构加固前后最大层间位移角 地震波 类型 加固前最大 层间位移角 加固后最大 层间位移角 X Y X Y 天然波 1 1/492 1/417 1/736 1/669 天然波 2 1/309 1/329 1/600 1/559 天然波 3 1/529 1/449 1/606 1/564 加固后时程分析结果 根据建筑抗震设计规范5.1.2 条条文说明，进行时程分析时，在结构主方向的平均底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的 80%，不大于 120%，每条地震波输入的计算结果不会小于 65%，不大于 135%。从表 2 可知基底剪力满足
6、规范要求。根据抗规表 5.5.1 知表 2 的层间位移角均大于 1/550，满足规范要求。 表 2 结构加固基底剪力及层间位移角 反应谱 地震波 1 地震波 2 地震波 3 三条波平均值 X 向地震力（KN) 3549.89 3654.9 3515.4 3897.4 3689.23 Y 向地震力（KN) 3634.93 3745.4 3590.4 3939.5 3758.43 X 向与反应谱百分比（%） 100 102.96 99.03 109.79 103.93 Y 向与反应谱百分比（%） 100 103.04 98.77 108.38 103.4 X 向位移角 1/736 1/600 1/
7、606 Y 向位移角 1/669 1/559 1/564 附加阻尼比的计算 剪切型阻尼器是一种金属屈曲型阻尼器，属于位移型阻尼器，位移型阻尼器附加给结构的有效阻尼比可按照下式计算3： 式中：消能减震结构的附加有效阻尼比 第个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量，即滞回曲线的面积； 设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。 单个阻尼器的耗能面积根据平行四边形法则求出，具体计算公式如下： ，= 图 3 阻尼器耗能面积计算图 总应变能，其中质点的水平地震作用标准值；质点对应于水平地震作用标准值的位移。 表 3 三条地震波的附加阻尼比计算结果 地震波 方向 阻尼器总耗能 (KNmm)
8、 结构总势能 （KNmm） 附加阻尼比（%） 地震波 1 X 22732.07 37335.14 4.85 Y 29604.92 38878.76 6.06 地震波 2 X 53839.41 53368.36 8.03 Y 28240.49 53780.01 4.18 地震波 3 X 44122.98 49400.15 7.11 Y 30782.66 51718.37 4.74 由表 3 知剪切型阻尼器能够提供 3.5%附加阻尼比。 剪切型阻尼器耗能 地震作用时，结构楼层之间的层间位移在剪切型阻尼器中产生的剪切变形，使阻尼器产生剪切塑性变形，提供耗能，起到耗散地震输入能量，从而发挥保护主体结构
9、的作用。图 4 为剪切型阻尼器滞回曲线，从图中可以看出剪切型阻尼器起到耗能作用。 图 4 剪切型阻尼器滞回曲线 结论 本文针对采用剪切型阻尼器的框架结构进行加固前后动力时程弹性分析，得到如下结论： 1）结构加固前未能满足建筑抗震设计规范要求，增设剪切型阻尼器后能很好的满足结构抗震要求，增设剪切型阻尼器是一种有效的提高结构抗震能力的加固方法，可以有效的提高建筑结构的抗震性能。 2）在结构中增设剪切型阻尼器后，在多遇地震作用下，剪切型阻尼器发生耗能，可以大幅度提高结构整体的抗震能力。 3）对加固后结构进行动力弹性时程分析，所增设的剪切型阻尼器数量能达到所要求的附加阻尼比，使结构总阻尼比增加，从而减小结构地震反应。 参考文献： 1陈之毅,葛汉彬,宇佐美勉,袁勇.剪切阻尼器的滞回性能参数研究.土木工程学报,2008,Vol41(11) 2GB50011-2010 建筑抗震设计规范S. 3JGJ297-2013 建筑消能减震技术规程S.
