陈瑞雪 邢国雷 薛 涛

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

复合金属阻尼器在高层建筑中的抗震分析

陈瑞雪 邢国雷 薛 涛

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

通过对某高层建筑的数值仿真分析，研究了复合金属阻尼器在高层建筑中的受力特点和应用效果，指出经过合理的设计和布置，高层建筑层间位移角明显减小，墙与连梁的破坏程度减小，达到了良好的耗能减震效果，复合金属阻尼器可有效提高高层建筑的抗震性能。

复合金属阻尼器，消能减震，高层建筑，剪力墙结构

0 引言

近年来，消能减震技术在工程中的应用日益广泛。该技术突破了传统抗震设计方法的局限性，可以有效地改善结构抗震性能、减小地震反应[1]。通过将地震输入建筑物的能量引向特别设置的机构或元件加以吸收和耗散，从而保护主体结构的安全。

常用的消能装置(也称为耗能器、阻尼器)根据消能机理不同主要分为速度、位移相关型两种[2]。前一种分为粘滞消能器和粘弹性消能器；后一种分为摩擦消能器与金属消能器[3]。其中金属消能器主要分为复合金属、软钢阻尼器。由于摩擦耗能器取决于结构的运动来发挥其功能，具有一定局限性，相对而言，无论是在制作成本，结构构造还是在耗能能力上，复合金属阻尼器的表现更好[4]，所以在工程应用上越来越普遍。

如今，高层建筑日益普遍，而采用剪力墙结构的高层住宅约占高层住宅的90%[5]。对于高层剪力墙结构的消能减震的需求愈来愈大。已有许多学者研究了改善剪力墙结构抗震性能的方法。已有研究主要集中在设缝和耗能装置等方面，比如带缝耗能剪力墙[6]、组合填充耗能剪力墙[7]及摇摆耗能剪力墙[8]等，相比于普通剪力墙结构的延性、滞回性能均有明显优化。这些方法有其合理性，但施工较麻烦。

本文通过在高层剪力墙结构中布置复合金属阻尼器，分析了复合金属阻尼器的耗能性能，结果发现其在高层剪力墙结构中有良好的耗能减震效果。

1 工程应用

1.1 复合金属阻尼器

计算过程中，复合金属阻尼器采用双线型模型进行模拟，如图1所示。可以看到，双线型模型包括弹性刚度(k1)、第二刚度(k2)和屈服强度(fy)3个计算参数。

1.2 工程概况

某工程结构为框架—剪力墙结构体系，地下2层，地上31层，总高度97.65 m。抗震设防烈度为8度(0.20g)，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为三类，框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级一级，基本风压为0.45 kN/m2。本文通过利用SAP2000和PERFORM-3D有限元软件对该工程进行装与不装阻尼器两种情况下的模态分析和地震时程反应分析。

1.3 阻尼器的布置、参数设置

根据消能元件的布置原则和围护原则，对于该高层住宅剪力墙结构，采用附加墙的方式布置复合金属阻尼器。采用混凝土墙体作为阻尼器的支撑，这样不仅能提高支撑刚度，还不破坏墙体自身的建筑功能。考虑到结构形式和建筑格局等因素，经优化设计后最终布置了100个阻尼器，沿2层～26层在X向、Y向每层各布置2个。

对比几种软件模型分析结果可知该有限元模型是合理可行的，如表1所示。

表1 结构前6阶周期对比

2 结果分析

文章选取两条三类场地波LWD_90波、namjyeong-2和一条基于场地类别和地震分组生成的人工波。

2.1 结构弹性地震响应分析

首先采用有限元软件SAP2000对结构模型进行8度小震、8度中震下的地震响应分析，通过对消能阻尼器的动力参数、布设位置和数量反复试算、优化调整，考察结构减震前后的各项指标参数变化，分析阻尼器减震效果。

在小震作用下结构变形较小，进入屈服阶段的阻尼器数量有限，阻尼器基本没有发挥其耗能，此时主要考虑阻尼器对结构提供的附加刚度。

由图2可知，8度设防地震作用下，该结构层间位移超出弹性限值，但距塑性限值相差较远，结构主体基本处于弹性状态。安装阻尼器之后，结构整体刚度提高不少，各层层间位移角普遍减小，X向降幅随层高呈现先大后小的趋势，Y向降幅随层高而增大。安装复合金属阻尼器后，结构的水平变形得到了明显的控制。从阻尼器的滞回曲线看出(见图3)，此工况下大部分阻尼器已经进入屈服阶段来消耗地震能量。

2.2 结构弹塑性地震响应分析

在9度中震作用下，提取响应最为明显的人工波工况下结构层间位移角(见图4)。

从图4中可以发现，安装阻尼器后结构各层层间位移角均有变小，X向层间位移角平均减震率达到6.0%，随楼层的增加呈现先增大后减小的趋势。而Y向层间位移角平均减震率达到了11.5%，随楼层的增加效果愈好。

剪力墙作为结构抗震的第二道防线也不容忽视，故提取减震前变形最大的剪力墙的转角时程曲线，与减震后该墙肢进行对比，如图5所示。从图中可知，减震前该墙肢的最大转角为0.005 4，减震后转角变为0.004 2，减小了23.2%。

对模型进行9度罕遇地震下的弹塑性分析，得到各时程作用下结构层间位移角，如图6所示。在此工况下，原模型在人工波作用下最大层间位移角为1/100，超过规范限制。而减震模型在各时程波下的层间位移角均降幅明显，并且楼层高度越大效果越好，达到规范要求。结构X向平均减震率为25.4%，Y向为14.6%。

基底剪力为反映结构在地震过程中承受的总地震力大小的宏观指标。分析结果显示，由结构在减震后X方向平均底部剪力减小了6.7%，Y方向减小了18.7%。如图7所示，选取的剪力墙在原模型荷载作用下已然破坏，最大压应变达到1 885 με,而减震模型中对应剪力墙最大压应变为1 543 με,降低了18.2%。

3 结语

1)复合金属阻尼器的滞回曲线饱满，耗能性能好。在小震下既能提供附加刚度与附加阻尼，在大震下其耗能又稳定，减震效果明显。

2)弹性分析表明，结构主体基本处于弹性阶段，在8度设防地震作用下大部分阻尼器进入屈服阶段开始消耗地震能量。

3)弹塑性分析表明，对结构在9度设防地震作用下结构响应分析表明，减震后结构的主要受力构件剪力墙的变形都控制在LS(生命安全)状态，阻尼器起到了明显的减震效果，满足规范中“中震可修”的设防要求。

4)对结构在9度罕遇地震作用下结构响应分析表明，减震后结构能达到规范侧移要求，在经历相当于9度罕遇水平地震荷载作用下混凝土的压应变能够控制在峰值应变之内，满足规范中“大震不倒”的设防要求。

[1] 周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997.

[2] GB 50011—2012,建筑抗震设计规范[S].

[3] Soong T T，Dargush G F.Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering,1997.

[4] 晏晓彤，袁 波.金属阻尼器的滞回性能分析[J].工业建筑,2014,44(1):49-53,137.

[5] 谭 平,周福霖.隔振技术的研究与工程应用[J].施工技术,2008,37(10):5-8,42.

[6] Ohmori N,Tooyama K,Takeshi T,et al.Studies Reinforced Concrete Slit Walls,1966.

[7] Xia Z M，Naaman A E.Behavior and Modeling of Infill Fiber-reinforced Concrete Damper Element for Steel concrete Shear all[J].ACI Structural Journal,2002(99):727-739.

[8] Ajrab J J,Pekcan G,Mander J B.Rocking Wall-Frame Structures with Supplemental Tendon Systems[J].Journal of Structural Engineering，2004(130):895-903.

On anti-seismic analysis of composite metal damper in high-rise buildings

Chen Ruixue Xing Guolei Xue Tao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstitute,Beijing100095,China)

According to the numeric simulation analysis of some high-rise building, the paper researches the stressed features and application of the composite metal damper in high-rise buildings, points out the displacement angles among the buildings are evidently reduced and the damages between walls and beams are relieved, indicates it has better energy dissipation and seismic mitigation effect, and illustrates the damper can improve the anti-seismic performance of high-rise buildings.

composite metal damper, energy dissipation and seismic mitigation, high-rise building, shearing wall structure

1009-6825(2015)32-0045-03

2015-09-07

陈瑞雪(1988- )，女，工程师； 邢国雷(1977- )，男，高级工程师； 薛 涛(1987- )，男，助理工程师

TU352

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