基于能量的新型消能摇摆结构体系抗震性能研究

基于能量的新型消能摇摆结构体系抗震性能研究

刘迪1， 赵文兰2， 徐树山1， 杜永峰3

(1.商丘师范学院 建筑与土木工程学院，河南商丘476000； 2.郑州大学工程学院，河南，郑州450001；

3.兰州理工大学，甘肃 兰州730050)

摘要：利用能量法分析新型消能摇摆结构体系在地震动过程中的耗能机制，并对其抗震性能进行系统研究。以某已建成的6层框架结构为研究对象，建立新型消能摇摆结构体系的计算模型，利用Opensees软件获得新型消能摇摆结构体系在不同地震动激励下的动力响应，分析其各子结构的耗能部位及所占比例。结果表明：新型消能摇摆结构体系的耗能机制更为合理，其抗震性能优于传统结构体系，为工程设计和研究提供一些参考。

关键词：能量分析； 消能摇摆结构体系； 耗能机制； 抗震性能

收稿日期：*2014-08-08

基金项目：国家自然科学基金(51178211)

作者简介：刘迪(1983- )，男，讲师，博士，主要从事土木工程、防震减灾等方面的研究.Email:liudi@sqnc.edu.cn

中图分类号:TU442.5文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0114

Study on the Anti-seismic Property of Energy-based New Energy

Dissipation Swing Structure System

LIU Di1， ZHAO Wen-lan2， XU Shu-shan1，DU Yong-feng3

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering，ShangqiuNormalUniversity，Shangqiu，Henan476000，China；

2.SchoolofCivilEngineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou，Henan450001，China；

3.LanzhouUniv.ofTech. ，Lanzhou，Gansu730050，China)

Abstract：The focus of this study was the characteristics leading to failure of frame structures in recent major disasters.This study analyzed a new system for energy dissipation using a stiff frame rocking structure.Energy consumption during seismic oscillations was analyzed using the energy method，and a systematic study of the system’s the anti-seismic properties was conducted.With a six-floor frame structure as the research object，a calculation model for the new energy dissipation rocking structure was developed.The dynamic responses of the new system under different seismic oscillations were obtained using the OpenSEES software.Energy consumption and its role in the new were analyzed.Results of the research showed that the mechanism for energy consumption in the new rocking structure was more reasonable，and its anti-seismic properties were an improvement over traditional structural systems.

Key words： energy analysis； energy dissipation rocking structure system； energy consumption mechanism； seismic behavior

0引言

上世纪中期，美国学者Housner提出了基于能量的抗震设计原则即在地震动过程中，能量通过地面传递给结构，并转化成各种不同类型的能量，如动能、结构本身的阻尼耗能和变形能等，进而利用地震时能量输入与输出相平衡的原理构建能量平衡方程[1]。有研究表明：在地震过程中输入耗能减震结构体系的能量必须与结构体系内部能量的储存、转换和消耗相平衡。

进入新世纪以来，基础隔震、消能减振、结构振动的主/被动控制等新的抗震技术和措施已经被广泛的接受和推广，并经历了实际地震考验[2-5]。本文在前人的研究基础之上，以某已建成的实际工程为研究对象，构建新型消能摇摆结构体系，利用能量法对其在地震过程中的动力响应进行系统分析，为实际工程设计和施工提供理论依据。

1计算模型的建立

1.1新型消能摇摆结构体系设计方案

新型消能摇摆结构体系设计方案的基本思路是分析结构体系在灾害过程中的易损部位，设计既能够为结构体系提供抗侧刚度，在损伤后又不会对结构的竖向承载力产生较大影响的结构构件，同时兼顾施工建造难度使其易于修复和更换。根据上述设计思路和原则，利用钢管混凝土构件作为结构体系的主要抗侧构件，形成附设于传统结构体系之上的附属子结构，同时增设耗能限位装置。根据现有震害统计资料表明：在地震过程中框架结构体系容易出现柱上下端出现塑性铰，进而发生薄弱层破坏[6-8]。本文通过对已有框架结构外部增设具有抗侧承载力和抗侧刚度较大的钢管混凝土摇摆刚架，将摇摆刚架与基础铰接，以允许摇摆刚架发生一定程度的转动，同时在摇摆刚架底部分别设置黏滞阻尼器形成新型消能摇摆结构体系。

1.2算例模型的建立

以某建成的钢筋混凝土框架结构为研究对象，在已建成的钢筋混凝土框架结构住宅楼的基础上，利用通用结构设计软件PKPM，根据新修订的《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，来进行重新的设计。

研究对象为6层钢筋混凝土框架结构。首层为停车场，无填充墙；上部为住宅，有横向和纵向的填充墙。考虑填充墙影响后，底层刚度显著小于上部楼层刚度。所在地的抗震设防烈度为Ⅷ度, 属于Ⅱ类第2组，场地特征周期Tg=0.4 s，层高为3.0 m，楼板厚度120 mm。PKPM有限元模型如图1所示。

图1　PKPM模型 Fig.1　The PKPM model

图2　混凝土的应力-应变曲线 Fig.2　Stress-strain curve of the concrete

模型设计中的楼面恒荷载取5.0 kN/m2，活荷载取2.0 kN/m2，组合系数取0.5。除结构构件混凝土强度等级为C30外，非结构构件的混凝土材料强度为C25。纵筋HRB335，箍筋为HPB235。横向钢筋和板筋为 HPB235。

采用OpenSees的nonlinear BeamColumn纤维单元模拟钢筋混凝土框架结构的梁柱以及摇摆刚架的梁柱和支撑。混凝土采用的本构关系模型为OpenSees中的uniaxial Material Concrete02，其本构关系模型见图2。钢筋以及钢管混凝土所用的钢管采用的本构关系模型采用OpenSees中双线性随动强化模型uniaxial Material Steel02，其本构关系模型见图3。

图3　钢筋及钢管的应力-应变曲线 Fig.3　Stress-strain curve of the steel bar and steel pipe

图4　新型消能摇摆结构体系示意图 Fig.4　Diagram of the new energy dissipation rocking structure system

新型消能摇摆结构体系示意图如图4所示。消能装置采用黏滞阻尼器，并利用OpenSees软件中Maxwell Material模型进行计算和分析。

利用于Opensees有限元软件分别构建了钢筋混凝土框架结构有限元模型和新型消能摇摆刚架结构体系的有限元计算模型。

曲哲和叶列平[9]通过分析在多遇地震作用下不同刚度比的框架-摇摆墙结构，分析了不同刚度比下层间位移集中系数(DCF)与刚度比(摇摆墙刚度/框架刚度)的关系，拟合得到了不同层数结构的刚度需求，根据Gregory A. MacRae[10]的研究，提出了式(1)所示的刚度比α，其近似计算方法为式(2)和式(3)。

式中，k为摇摆刚架的层间剪切刚度；K为原框架结构的层间刚度；h为框架结构的高度；Escm、Iscm分别为钢管混凝土架柱和支撑的组合弹性模量和组合惯性矩；Asc=As+Ac为钢管混凝土截面尺寸；Ec、Ic分别为钢筋混凝土框架柱的弹性模量和惯性矩；n为每层框架柱的数量；L为摇摆钢架中支撑的长度；l为摇摆钢架的跨度。

根据不同的刚度比将有限元模型分别命名为RC和modeliA，如表1所示。

表 1　 Opensees有限元模型

2动力响应计算

2.1地震波的选取

现行的《建筑抗震设计规范》(GB50010-2010) 中5.1.2-3款，针对不同烈度和不同场地类别下的高层建筑，以及甲类或特别不规则建筑强制要求采用时程分析法做补充计算。同时规定地震动输入样本为三组时应选取不少于2组实际强震记录和1组人工模拟的地震加速度时程。选取地震动输入如表2所示。

表 2　地震波

注：本文中，分别简称为EL波，SYL波，BOL波和Lanzhou波

2.2能量分析

在对新型消能摇摆结构体系进行能量分析时，假定现有结构在地震过程中的总输入能量与结构体系本身所消耗的能量维持平衡，则在地震过程中地震动输入能量只会发生传递与转移，结构体系的动能和弹性应变能仅为地震动输入能量的转换而不能耗能。结构体系的耗能主要依靠其结构构件的滞回特性和其本身的耗能，依据平衡状态方程如果减小结构体系承担的耗能“重担”，就可以有效地避免结构构件的损伤和破坏。因此在新型消能摇摆结构体系的设计方案中将增设耗能器件于结构的某些关键部位如图4所示，使其在地震过程中大量消耗地震能量，从而达到保护主体结构的作用。

根据能量平衡的抗震设计原则，可以将能量平衡方程写成

式中，Ek为结构体系的动能；Ed为结构体系的阻尼耗能；Eh为结构体系的弹性变形能；Es为结构构件的滞回耗能；EIn为地震作用下结构输入能量。

由式(4)～(8)不难发现，在总输入能量不变的情况下，想要避免结构构件的损毁，需增加结构体系动能和弹性应变能、增加阻尼耗能等的占比。但若采取此设计方案势必将增大结构体系自身的刚度，即增大构件截面尺寸或提高其强度等级，这样必然会增大建筑结构在地震过程中的动力响应同时也会付出高昂的经济成本。故前文中采用的增设黏滞阻尼器以耗散地震能量的方法不失为一种较为理想的选择。

3计算结果分析

利用Opensees 计算平台，对前文中的各有限元模型，分别按照现行抗震设计规范5.1.2条所要Ⅷ度罕遇的幅值沿模型X向输入进行弹塑性动力时程分析。

新型消能摇摆结构体系在不同类型地震动输入下的层间位移角曲线如图5所示，各工况下RC结构已接近规范所要求的弹塑性层间位移角限值(1/50)，且底层的层间位移角与顶层层间位移角相差巨大，从而形成了薄弱层，存在严重的安全隐患。编号为M1A～M6A计算模型在各工况下的层间位移角降为RC结构的50%左右，底部层间位移角与顶层层间位移角的较为接近，各层变形趋于统一，有效地避免了薄弱层的出现。

图5　新型消能摇摆结构体系层间位移角 Fig.5　The inter-story drift ratio of new energy dissipation rocking structure

模型M1A～M6A在BOL波下的能量曲线如图6所示，通过分析发现：随着刚度比的增加，黏滞阻尼器的耗能曲线不断地降低，结构的耗能曲线逐渐抬升。根据能量平衡原则，在总输入能量不变的情况下，如结构自身的耗能占比增加，则黏滞阻尼器的耗能占比必将缩减；也正是逐渐增大的刚度比使得建筑结构上部各层的变形增加从而导致越来越多的结构构件加入到耗散地震能量的工作中来，在总输入能量不变的情况下，黏滞阻尼器的耗能占比减小。

为了更直观、更明了地对地震过程中黏滞阻尼器耗能的情况进行分析，将黏滞阻尼器耗能在整个结构系统中的比例以数字形式进行量化，如表3所示。

4结论

利用Opensees分析平台，分别对钢筋混凝土框架结构和新型消能摇摆结构进行了不同地震工况下的动力弹塑性时程分析与能量分析，结果如下：

(1) 新型消能摇摆结构体系可以有效地改变原结构的变形模式，显著的减小层间位移角幅值，抑制了薄弱层的出现从而避免发生层屈服机制破坏。

表 3　黏滞阻尼器耗能占比

注：D-Dampere；S-Structure

图6　Bol波工况下的能量分析 Fig.6　Energy analysis under Bol wave

(2) 当刚度比较小时，黏滞阻尼器可以显著地降低动力荷载作用下结构的动力响应，但是随着刚度比的增加，更多的结构构件参与耗能，黏滞阻尼器耗能占比逐步降低。

(3) 新型消能摇摆结构体系在罕遇地震动作用下，能够切实提高结构的抗倒塌性能。

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