吴 涛，丁晓燕

（苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

高层建筑中粘滞阻尼支撑布置方案探讨

吴 涛，丁晓燕

（苏州科技学院 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

消能支撑结构具有良好的减震效果．通过在某28层不规则建筑的不同位置设置粘滞阻尼支撑，并运用有限元分析软件SAP2000对其进行模态分析和非线性动力时程分析，研究了支撑位置对结构抗震性能的影响．

消能支撑；高层建筑结构；模态分析；时程分析；抗震性能

国内外研究表明，结构消能减震技术不仅能防止建筑结构整体被破坏，限制结构损伤，而且通过合理设计能满足用户的舒适性要求[1-3]．粘滞阻尼支撑工程减震控制技术，是通过在高层建筑结构的特定部位安装由阻尼器等构成的消能支撑，调整结构的动力特性，使结构在地震作用下的动力反应（加速度、速度、位移）得到合理的控制．合理布置消能支撑是消能减震结构设计的关键，它直接影响到结构的抗震性能以及经济合理性．本文主要研究消能支撑的位置对高层建筑抗震性能的影响．

1 工程概况

某综合大厦（见图1）为28层框架―筒体结构，1―6层为商场，7层以上为写字楼．1―4层层高 4.8 m，5层以上层高3.3 m，结构总高 98.4 m．大厦平面为L形，4层以上有收进；垂直交通中心位于 L形平面的中部，由3个筒体组成；7度抗震设防，设计基本地震加速度0.10g，II类场地[4―5]．

图1 工程立体图

该大厦筒体位置处于建筑平面凹角处，筒体刚度大，柱列刚度小，地震时易遭受扭转破坏，对抗震十分不利[6]．由于在两侧设置剪力墙会影响建筑平立面布置，故沿建筑物全高设置消能支撑．本研究共有 4种方案，各方案均设置112个阻尼器，如图2所示（方案A为单斜杆式，其他为交叉形式）．

图2 耗能支撑的布置方案

2 结构仿真分析参数

2.1 消能支撑的模拟

在SAP2000中，用Damper单元模拟粘滞阻尼支撑，粘滞阻尼单元的阻尼系数c=5.0×103kN·s/m，阻尼指数为0.3，支撑刚度k=2.0×105kN/m[7―8]．

2.2 地震波的选用

根据抗震规范，时程分析时应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于2组的实际强震记录和1组人工模拟的加速度时程曲线．本算例输入3条地震波（持续时间均为 12 s）进行时程分析，分别是：EL Centro波的南北分量，时间子步为0.02 s，沿X方向输入；考虑双向地震作用的唐山波东西和南北分量，时间子步为0.01 s，沿X、Y双向输入；人工模拟的广州波，时间子步为0.02 s，沿X方向输入．

3 结果与分析

3.1 模态分析

原建筑结构的刚度中心与质量中心不重合，地震时易遭受扭转破坏．为了充分考虑扭转对结构的影响，模态分析时取前10阶振型，前6阶振型的分析结果如表1所示．

表1 原结构与两组消能支撑结构的振型信息

由表1可知，原结构第一振型主要是X方向的平动振型，并带有Y方向的平动振型和很大的扭转效应，这正是由于结构平面质量和刚度分布不均匀、不对称所导致的平扭耦联效应；由于粘滞阻尼支撑只提供阻尼，并不能提高结构的弹性刚度，因此，结构设置粘滞阻尼支撑后，周期和振型基本没有变化．

3.2 时程分析

根据结构抗震设防要求，多遇地震作用下的地震加速度时程曲线峰值取为 35 cm/s2，罕遇地震作用下的地震加速度时程曲线峰值取为220 cm/s2．

3.2.1 多遇地震下的时程分析

通过线性时程分析，得到抗震结构在多遇地震作用下的最大层间位移如图 3―图 6所示，最大层间位移角及对应位置如表2所示．由于广州波的地震响应较小，故只给出另外两种地震波作用下的分析结果．

图3 EL Centro多遇地震波作用下的X向最大层间位移

图4 EL Centro多遇地震波作用下的Y向最大层间位移

图5 双向唐山多遇地震波作用下的X向最大层间位移

图6 双向唐山多遇地震波作用下的Y向最大层间位移

表2 多遇地震下结构的最大层间位移角及位置

由图3―图6及表2可以看出，设置消能支撑后，在单向多遇地震波作用下，方案A、B、D的最大层间位移和最大层间位移角均有所减小，方案C几乎不起抗震作用；在双向地震波作用下，几种方案对结构的最大层间位移和最大层间位移角都未产生明显影响．

3.2.2 罕遇地震下的时程分析

本文采用 FNA快速非线性结构动力分析法对结构在罕遇地震下的抗震性能进行分析．考虑到结构带有阻尼非线性连接单元构件，能量的耗损比例是衡量单元效用的重要指标，因此在结构分析时，通过把阻尼和非线性单元作为时间函数来计算总输入能量、应变能量、动能和能量损耗[8]，同时对结构的累积塑性滞回耗能进行分析．

(1)位移响应

结构最大层间位移见图7―图10，最大层间位移角及对应位置见表3．

图7 EL Centro罕遇地震波作用下的X向最大层间位移

图8 EL Centro罕遇地震波作用下的Y向最大层间位移

图9 双向唐山罕遇地震波作用下的X向最大层间位移

图10 双向唐山罕遇地震波作用下的Y向最大层间位移

从图7―图10及表3可看出，结构在罕遇地震作用下的位移响应与多遇地震类似．单向罕遇地震作用下，方案 A、B、D的最大层间位移和最大层间位移角有所减小，在减小地震响应效果方面，X向优于Y向；方案C的效果仍然不佳，这主要是由于其平面位置的布置不利于构件消能，尽管这个位置布置的金属屈服阻尼支撑对结构的平扭耦联效应有一定缓解．在双向罕遇地震波作用下，几种方案对结构的最大层间位移和最大层间位移角都未产生明显影响．

(2)加速度响应

从结构平面布置的特点来看，平面 L形转角处（Z1、Z2）和偏心侧角柱（Z3）在地震作用下扭转效应较大，因此，取 Z2、Z3顶层节点加速度进行对比分析，结果见表4和表5．

表4 罕遇地震作用下Z2顶层节点加速度峰值 m/s2

表5 罕遇地震作用下Z3顶层节点加速度峰值 m/s2

由表4和表5可看出，设置了耗能支撑的结构在罕遇地震下的加速度蜂值略有减小，其中在唐山波作用下降低的幅度较大．综合起来，方案B效果最好，不管是在双向波还是单向波情况下，都具有较好的抗震效能；方案C在双向波作用下的耗能效果相对突出，但在单向波作用下的耗能效果不明显．

(3)结构累积塑性滞回耗能比较

能量指标可以较全面地体现地震对结构的破坏作用，结构的累积塑性滞回耗能越多，说明结构在地震过程中的累积损伤越大．4种耗能支撑结构在罕遇地震作用下的滞回耗能见表6．

从表6可看出，在单向EL-Centro波作用下方案A、B的耗能效果较好，方案D次之，方案C最差，方案B连接单元滞回约为方案C的6～7倍．但是，在双向大能量唐山波的作用下，方案C的耗能效果反而突出．

4 结论

(1)消能支撑结构能够有效衰减结构的地震反应，尤其在强烈地震波（如唐山波）作用下的耗能效果更为显著，在高层建筑结构中具有很好的应用前景．

(2)设置粘滞阻尼后，结构的自振特性不变．

(3)支撑在结构中的布置对结构的抗震性能起着很重要的作用，而实际结构的刚度、地震波的类型和地震波峰值都会对消能支撑结构的地震反应及变化规律产生影响．因此，进行消能支撑布置时，应根据结构具体需求尽可能将消能支撑布置在结构反应较大的部位．

[1] 王亚勇，薛彦涛，欧进萍，等．北京饭店等重要建筑的消能减振抗震加固设计方法[J]．建筑结构学报，2001，22(2)：35―39．

[2] 欧进萍，吴斌，龙旭，等．北京饭店消能减振抗震加固分析与设计：时程分析法[J]．地震工程与工程振动，2001，21(4)：82―87．

[3] 周福霖，俞公骅，冼巧玲，等．多层和高层建筑结构减震控制新体系[J]．工程抗震，1994，9(3)：10―14．

[4] GB 50009—2001 建筑结构荷载规范[S]．

[5] GB 50011—2001 建筑抗震设计规范[S]．

[6] 钱稼茹．不规则高层建筑的抗震设计概念及工程实例[J]．建筑结构，1997(1)：30―32，40．

[7] 翁大根，卢著辉，徐斌，等．粘滞阻尼器力学性能试验研究[J]．世界地震工程，2002，18(4)：30―34．

[8] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院．SAP2000中文版使用指南[K]．北京：人民交通出版社，2006．

〔责任编辑 张继金〕

Effect of Position of Energy-Dissipated Braces on Earthquake Resistant Performance of High-Rise Building

WU-Tao,DING Xiao-yan
(Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215011,China)

Energy-dissipated brace has a good damping effect. The earthquake-resistant performances of one 28-storey irregular high rise building with energy-dissipated brace in different position was studied by modal analysis and nonlinear dynamic time history analysis. The affection of energy-dissipated brace position on earthquake resistant performance of buildings is analyzed and some suggestions are put forward for the correlation research.

energy-dissipated brace; high-rise building; modal analysis; time-history analysis; earthquake resistant performance

TU973+.31

A

1006-5261(2010)05-0020-04

2010-04-03

吴涛（1984―），男，河南商城人，硕士研究生．