李 阳， 张 敏
(广西科技大学土木建筑工程学院，广西 柳州 545006)
摘 要：为研究线性粘滞阻尼耗能框架的地震反应，采用SAP2000分析了一座10层框架结构安装线性粘滞阻尼器之后，在地震作用下的地震反应。考虑了五种不同的阻尼器布置方案，其中三种方案为对称布置，但阻尼器布置位置不同；两种方案为非对称布置，且其中一种方案只在结构一侧布置阻尼器，由此探讨了阻尼器布置方式对框架结构地震响应的影响。可得对称布置方案结构各楼层减震效果良好，并且三种布置方案地震反应和减震效果基本相同；非对称布置方案相对前三种布置方案减震效果较差，这是由于阻尼器布置不对称，使结构产生了扭转，增大结构地震反应。因而阻尼器应在结构中灵活对称布置，不宜采用非对称形式布置。
关键词：粘滞阻尼器；框架结构；布置方案；地震反应
地震对人类社会破坏性极强，传统的抗震结构通过改变结构自身的刚度及质量分布来增强结构的抗震能力。消能减震结构是近年来提出并得到广泛应用的一种先进技术，它是通过在结构中安装消能减震装置，以消耗、吸收地震输入结构的能量，从而减弱结构的地震反应，提高结构耐震能力。
结构中布置阻尼器，增大了结构的阻尼比，但振动方程阻尼矩阵不再对振型具有正交性，因此常规的振型分解反应谱法已不再适用，国内外很多学者对该问题进行了大量的研究。2004年，汤昱川等[1]在基于空间杆系结构模型的基础上，推导了粘滞阻尼器减震结构的附加阻尼矩阵、动力平衡方程，并在高层建筑结构动力分析程序HBTA中增加了对附加粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析功能；1999年，欧进萍等[2-3]研究了耗能减震结构非正交阻尼矩阵强行解耦的精度和实际应用，提出了在振型分解反应谱法中可将阻尼器统一归结为结构附加振型阻尼比的方法；2000年，徐赵东等[4]利用开尔文模型描述阻尼器的耗能特性，将被动控制结构的运动方程用状态空间法描述，之后采用MATLAB的SIMULINK模块进行求解，并给出了相应算例。
随着阻尼器的广泛应用，众多学者针对结构功能要求提出了控制函数来优化阻尼器在结构中的布置，如层间位移角控制函数、振型控制函数等。1999年,周云等[5-6]根据粘弹性阻尼结构的性能和特点，提出了优化设计方案，如以层间位移为控制函数的优化设计方法；2001年,黄铭枫等[7]采用遗传算法(GA)来确定减震结构中各层阻尼器的数量，并根据阻尼器耗能特性及建筑规范对抗震结构给出了评价函数，从而得到了阻尼器分布的优化布置方案。
本文针对设置粘滞阻尼器的框架结构，通过对五种不同布置工况下的耗能减震框架进行地震反应分析，探讨了阻尼器布置形式对框架结构减震效果的影响。
该工程为一栋10层混凝土框架结构，底层层高4.5 m，其余各均为3.3 m，结构总高34.2 m，结构平面布置如图1所示；该框架抗震设防烈度为8度(0.30 g)，地震分组第2组，设防类别丙类；梁板柱混凝土强度等级均为C30。楼屋面恒载标准值10 kN/m2，楼屋面活载标准值2 kN/m2；梁截面尺寸为300 mm×650 mm，板厚100 mm，柱截面尺寸为600 mm×750 mm；阻尼器布置方案见图2。
对于图2所示设置粘滞阻尼器的框架结构，分别考虑四类场地的地震波，即：Ⅰ类场地OROVILLE波、Ⅱ类场地El-Centro波、Ⅲ类场地HOLLYWOOD STORAGE波、Ⅳ类场地天津波。
根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)，地震波的峰值加速度为110 gal(cm/s2)。
图1 框架结构平面布置(单位:mm)
图中带括号数字，例如(1-10)代表框架该跨第1～第10层布置阻尼器，其他类同。图2(a)～图2(c)为阻尼器对称布置方案;图2(d)和图2(e)为阻尼器非对称布置方案，其中图2(e)为阻尼器全部布置在结构一侧。图中各方案同一楼层阻尼系数总和等于该楼层的框架榀数乘以5×107 N·s/m。
2.1 结构自振周期
应用SAP2000软件模态分析法，分别得结构自振周期为T1=1.240 s，T2=1.163 s，T3=1.036 s。
结构自振周期是结构自身动力特性的反应，与结构的高度H、宽度B相关，当结构自振周期接近特征周期时，结构的地震响应最为强烈，结构的特征周期与结构场地类别有关。因此针对该结构选取了四类不同场地的地震波，研究场地类别对结构地震响应的影响。该框架结构布置规则，第一振型表现为横向平动，第二振型表现为纵向平动，第三振型表现为扭转为主。
2.2 结构楼层相对基础的最大位移响应
地震作用下框架结构相对基础的楼层最大侧移见图3。
(1)对于阻尼器对称布置方案，结构各楼层最大位移反应与相应抗震结构相比均减小显著，且减震效果基本一致，可见当阻尼器在结构中对称设置时，能产生几乎相同的减震效果。
(2)对于阻尼器布置方案d、方案e，结构各楼层最大位移反应相对前三种布置方案效果较差；当阻尼器仅设置在结构一侧时，结构各楼层的最大位移反应，甚至相对于相应抗震结构的对应值还要大得多。这是由于阻尼器布置不对称造成了结构在地震作用时发生了扭转，产生了扭转位移，故各楼层位移反应增大，因此阻尼器在结构中应对称布置，否则将对结构产生不利影响。
2.3 结构最大层间位移角响应
层间位移角即楼层层间最大位移与对应楼层层高的比值，地震作用下框架结构产生的最大层间位移角见图4。
图2 阻尼器布置方案简图(单位：mm)
(1)对于对称布置方案，其层间位移角相对相应抗震结构显著减小，减震效果较好，表明阻尼器对称布置方案减震效果基本相同。
图3 框架结构相对基础的楼层最大侧移
(2)对于阻尼器非对称布置方案，结构各楼层最大层间位移角相对于前三种布置方案减震效果降低，并且布置方案e，即只在结构的右半侧布置阻尼器，地震作用下各楼层最大层间位移角甚至比传统抗震结构还要大，这是由于阻尼器布置不对称使结构发生扭转，增大了楼层最大层间位移角。可见，阻尼器不宜采用非对称的形式设置在结构中。
图4 地震作用下框架结构最大层间位移角
采用SAP2000软件进行了不同布置工况下的耗能减震10层框架结构地震反应分析，由此得出下面结论：
(1)地震作用下对于阻尼器均匀对称布置方案，结构各楼层最大楼层侧移和最大层间位移角相对相应抗震结构均显著减小，减震效果良好，并且三种布置方案，地震反应和减震效果基本相同。
(2)地震作用下对于阻尼器非对称布置方案，结构各楼层最大楼层侧移和最大层间位移角相对前三种布置方案降低效果较差，因而阻尼器应在结构中灵活对称布置，不宜采用非对称形式布置。
参考文献
[1]汤昱川,张玉良,张铜生.粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析[J].工程力学,2004,21(1):67-71，158
[2]欧进萍,吴 斌,龙 旭.耗能减振结构的抗震设计方法[J].地震工程与工程振动,1998,18(2):98-107
[3]欧进萍,吴 斌,龙 旭.耗能减振结构的抗震分析与设计方法[J].振动工程学报,1999(2):55-62
[4]徐赵东,郭迎庆,周 云,等.被动控制结构的SIMULINK动态仿真分析[J].工程抗震,2000(4):18-22
[5]周 云,徐赵东,邓雪松.粘弹性阻尼结构中阻尼器的优化设置[J].世界地震工程,1998,14(3):15-20
[6]徐赵东,周 云,赵鸿铁.粘弹性阻尼结构的优化设计方法[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版,1999(3):44-46，50
[7]黄铭枫,唐家祥.高层建筑粘弹性阻尼器的优化设置[J].华中科技大学学报：自然科学版, 2001(11):73-75
LI Yang, ZHANG Min
(College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)
Abstract：In order to study the seismic response of the frame structure with linear viscous dampers,the SAP2000 is used for analyzing the seismic response of a 10-storey frame structure with linear viscous dampers under the action of an earthquake in the paper.Five different layout schemes are considered for the layout of linear viscous dampers, in three of which the viscous dampers are symmetrically arranged but are placed in different positions,in two of which the viscous dampers are asymmetrically arranged,and in one of which the linear viscous dampers are arranged on only one side of the frame structure, upon the basis of which the effects of different layouts of the linear viscous dampers on the seismic response of the frame structure under the action of an earthquake are explored in the paper.It is found that with the symmetrical layout schemes,the damping effect of each floor is good,and the effects of the seismic response and the shock absorption are fundamentally the same;with the asymmetric layout schemes,the damping effect is poor compared with that of the previous three layout scheme because of the asymmetric layout of the linear viscous dampers, which results in the torsion of the frame structure, with the seismic response of the frame structure increased.As a result, dampers should be flexibly and symmetrically laid out in the frame structure, and it is not suitable to lay out viscous dampers in an asymmetrical way.
Key words：viscous damper;frame structure;layout scheme;seismic response
收稿日期：2016-04-15
作者简介：李 阳(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为结构抗震。843326437@qq.com
DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.05.013
中图分类号：TU375.4
文献标识码：B
文章编号：1672-3953(2016)05-0044-04
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