黏滞阻尼器在框架核心筒结构中的布置研究

窦远明，王大凯

（河北工业大学土木与交通学院，天津300401）

黏滞阻尼器在框架核心筒结构中的布置研究

窦远明，王大凯

（河北工业大学土木与交通学院，天津300401）

为研究阻尼器在框架核心筒结构中立面和平面布置差异对减震效果的影响，使用非线性软件PERFORM-3D结合框架核心筒结构的内力重分布机制，对4种阻尼器布置不同的方案输入3条地震波进行非线性动力时程分析，对比结构的最大层间位移角、最大层剪力、塑性损伤情况、结构总能量分配和滞回耗能在结构高度上的分配，从力、位移和能量的角度综合寻求阻尼器在框架核心筒结构中的最优布置方案.

框架核心筒；PERFORM-3D；弹塑性时程分析；黏滞阻尼器；减震控制

0 引言

目前，依据我国抗震结构设计规范对消能减震结构进行设计时[1]，只是基于力和位移的单一强度指标保障结构的安全，并未考察输入的地震能量在结构中的分配[2]，尤其是对于框架核心筒结构这种双重抗侧力体系，阻尼器的布置位置可能改变结构构件分担的能量和内力重分布，需在合适的位置布置阻尼器才能保证结构的合理耗能机制和破坏顺序，达到设计的合理[3].本文采用采用PERFORM-3D软件在前人研究力和位移的角度基础上[4-5]，从结构的总输入耗能分配、各构件分配的能量和各构件的利用率，为从能量的角度去评价阻尼器的布置提供了便利[6].

1 框架核心筒的传力机制

学术界和工程界均认为推覆破坏得到的地震反应具有统计意义[7]，推覆分析逐级、单向持续的施加侧向力.扶长生、张小勇对框架核心筒结构推覆分析以观察框架核心筒结构从小震至倒塌全过程结构层间位移和地震剪力分配的规律来深入研究核心筒筒体和外围框架的内力重分布机理，中震时，结构的框架梁和连梁轻微损坏，内力重分布不明显，大震时底部墙体受拉开裂，刚度减弱，中下部连梁大部分屈服，此时框架分担剪力的比例增大，此阶段连梁屈服，地震剪力从核心筒流向框架结构[8].正是由于框架和核心筒刚度差异，形成了二者共同工作的机制[9]，而阻尼器应布置在结构相对位移和相对速度较大的部位，通过与结构的反向力做功耗散地震输入的能量，所以可以推测阻尼器布置在框架和核心筒之间可以使结构的耗能减震效果最优.

2 工程概况及减震方案

本文案例为西北地区某框架核心筒结构，图1为建筑立面示意图，结构高度84.10 m，地下2层，地上20层，其中设备间在第5层和第20层.抗震设防烈度8度（0.2 g），设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，建筑抗震设防类别均为丙类.根据场地覆盖层厚度和等效剪切波速，地震安全性评估报告特征周期为0.45 s.

该建筑位于地震高烈度区（8度0.2 g），如果采用传统的设计方法会导致截面面积过大、配筋过多，材料花费工程造价大幅度提高，本工程可以尝试通过合理布置阻尼器来实现消能减震，改善工程指标.对结构进行弹塑性时程分析，结构在5～14层X向和Y向最大层间位移角较大，本文阻尼器布置采取了如下几种平面和立面不同的布置方案.

方案1：不布置阻尼器，也可称为无控方案.

方案2：在框架和核心筒之间布置阻尼器，5～14层连续布置.

方案3：在框架和核心筒之间布置阻尼器，5、7、9、11、13、14层布置（即5～13层隔层布置）.

方案4：在外框架之间布置阻尼器，5～14层连续布置.

由于5～14层结构梁柱墙布置类似，为能直观展示阻尼器布置，仅展示出标准层布置图，如图2所示.

图1 建筑模型示意图Fig.1 Architectural elevation

图2 4种方案阻尼器布置示意图Fig.2 Damper arrangement of four plans

3 计算模型及分析方法

采用非线性软件PERFORM-3D对该结构进行大震作用下的动力时程分析[10].PERFORM-3D软件可以在短时间内把握结构的抗震性能，是专门用于三维整体结构弹塑性分析的软件，通过基于变形或者强度的限值状态对结构进行非线性分析，支持多种模型.可对结构进行推覆分析和地震时程分析，可输出结构模态、位移和力的时程记录、使用比、塑性损伤、能量平衡等指标.

3.1 材料本构

本工程钢材、钢筋采用三折线模拟，考虑屈服后强化，屈服后弹性模量与初始弹性模量之比为0.01，极限应变为0.025.混凝土本构采用考虑有强度损失的三折线模型，对应Y（第一屈服点）、U（极限强度点）、L（延性极限点）、R（残余强度点）、X（最大变形点）位置混凝土的耗能退化系数分别取1.0、0.9、0.7、0.4、0.3.

3.2 单元模拟

其中连梁采用弯矩-转角铰进行模拟，连梁模型如图3所示.核心筒剪力墙采用考虑竖向受压和受弯的shear wall compound component模拟，shear wall单元采用分层模拟，即一片墙被分成若干混凝土层和若干钢筋层（混凝土层和钢筋层均采用纤维模型），剪力墙构件模型示意图如图4所示.黏滞液体阻尼器采用黏滞杆件单元来进行模拟，采用Perform3d默认的多折线本构近似模拟，阻尼器出力100t，阻尼系数300kN·s/mm2，阻尼指数0.2，F-D曲线如图5所示.

图3 连梁弹塑性模型（弯矩-转角铰）Fig.3 Model of coupling beam

图4 分层剪力墙单元示意图Fig.4 Behavior of shear wall model

图5 黏滞阻尼器多折线本构关系Fig.5 Basic parameters of fluid damper

3.3 地震波的选取方法

根据抗震规范5.1.2条[1]，本文选用YJK软件对结构进行选波，根据场地特征周期，选取Imperial valley-06-159、Chi-Chi-04-2715以及YJK制作的一条人工波，地震波如图6所示，再对地震波进行调整幅值处理，加速度峰值取400 gal（8度0.2 g），持时25 s，结构阻尼比为0.05，地震波双向输入，峰值加速度按水平方向1∶水平方向2=1∶0.85比例调整.

图6 地震波加速度时程曲线Fig.6 Acceleration time-history curves of seismic waves

3.4 模型的一致性对比结果

建立了结构的PERFORM-3D非线性分析模型，建成后的模型三维视图及振型图如图7所示.与PKPM计算的总质量进行对比，质量误差分析见表1所示，PERFORM-3D程序计算出结构前12阶结果，将前三阶结果与SATWE模型进行对比，见表2，两者在质量上几乎无差异且前三阶主振型动力特性非常吻合，说明建立模型与原模型误差非常小，模型建立正确.

图7 结构前三阶振型形态Fig.7 First three mode of vibration

表1 结构质量对比Tab.1 Comparison of structural masses

表2 结构周期对比Tab.2 Comparison of structure periods

4 罕遇地震下的效果评估

4.1 最大层间位移角和最大层剪力对比

由于X向和Y向最大层间位移角和最大层剪力走势相似，仅以X向为例.如图8所示，对比X向最大层间位移角可知，不同的波的最大层间位移角差别很大，其中人工波和其他两波在相同的地震加速度幅值的情况下，位移角明显要小.在Imperial valley波作用下，布置阻尼器的相邻楼层位移角有明显变大的现象，而其他两波并没有.在布置阻尼器的楼层，最大层间位移角方案2小于方案4，方案4要小于方案3，方案3小于无控方案.

图8 X向最大层间位移角Fig.8 Maximum story drift of the structure in X-direction for different waves

3波的最大层剪力走势和大小几乎相同，故仅列出Imperial valley波最大层剪力，如图9所示.在临近布置阻尼器的楼层，最大层剪力有反而变大的趋势，说明布置阻尼器之后，层剪力有流向未布置阻尼器楼层的趋向.未连续布置阻尼器的方案3在与布置阻尼器楼层相邻的楼层最大层剪力有突变现象，这可能造成未布置阻尼器的楼层因承担过多的剪力而超出承载力，这种现象可以进一步通过优化阻尼器立面布置去改善，阻尼器在条件允许的情况下应连续布置.在布置阻尼器的楼层，最大层剪力方案2要小于方案4，方案4要小于方案3，方案3小于方案1.

图9 Imperial valley波作用下最大层剪力Fig.9 Maximum story shear force of the structure for Imperial valley wave

从力和位移的角度，在结构立面上阻尼器连续布置减震效果好于隔层布置，阻尼器数量越多减震效果越好；在平面上，阻尼器布置在框架核心筒之间比布置在外框架中间减震效果好.

4.2 塑性损伤

如图10所示，10 s时，无控结构的构件吸收了大量能量，连梁、核心筒底部以及变刚度处的损伤已经非常严重，而其他3种方案由于阻尼器吸收了大部分地震能量，构件的塑性损伤并不严重，但各有不同，方案2和方案3对比，方案3较方案2的底部核心筒区域损伤要严重，方案3底部区域有很多剪力墙已经达到70%以上的使用率，甚至有的超过100%.变刚度处的塑性损伤比方案2稍大一点，其他部位的损伤几乎相同，方案2和方案3的阻尼器均布置在5～14层，区别是方案3是隔层布置，但是塑性损伤的加剧却发生在核心筒的底部，而不是核心筒的中部5～14层处，原因可能是方案3阻尼器隔层布置导致核心筒中部的耗能能力小，地震能量就会从核心筒中部转移到底部，导致核心筒底部受损严重，框架核心筒结构中间部位的耗能能力也直接影响结构其他部位的损伤情况.

方案2和方案4对比，方案2在布置阻尼器的层数外框架的使用率很低，几乎都没有超过70%，但是方案4（在外框架布置阻尼器）的外框架使用率大部分都超过100%，对于框架核心筒结构，阻尼器吸收了很大一部分能量，导致周围的外框架产生很大的应力和变形，而阻尼器布置在框架核心筒之间且一端布置在刚度较大的核心筒附近，就不会发生这种现象，所以对于框架核心筒结构，阻尼器在允许的情况下应尽量布置在框架与核心筒之间，这样可以使减震效果好，且不会影响外框架的使用功能.

图10 4种方案在10 s时的塑性损伤对比Fig.10 Plastic damage of four plans with dampers

4.3 总输入能的分布

由表3和表4可知，3条波在4个方案中的塑性耗能略有不同，但差别不大，布置阻尼器的方案塑性耗能占比均大大减小.塑性耗能均呈现方案1＞方案3＞方案4＞方案2的规律，3条波在4个方案中的阻尼器耗能略有不同，但相差不大，阻尼器耗能均呈现方案3＜方案4＜方案2的规律，对于同一种波来说，整体塑性耗能占比从大到小的顺序为无控结构方案、框架核心筒之间隔层布置阻尼器方案、外围框架之间连续布置阻尼器方案、框架核心筒之间连续布置阻尼器方案.阻尼器耗能占比从小到大的顺序为框架核心筒之间隔层布置阻尼器方案、外围框架之间连续布置阻尼器方案、框架核心筒之间连续布置阻尼器方案.

表3 不同方案不同波的塑性耗能占比Tab.3 Plastic energy consumption ratio

表4 不同方案不同波的阻尼器耗能占比Tab.4 Damper energy consumption ratio

从结构塑性耗能和阻尼器耗能占总输入能比的角度考虑，在立面上阻尼器连续布置要比非连续布置减震效果好，在平面上阻尼器布置在框架核心筒之间要比布置在框架之间减震效果好.

4.4 滞回耗能比沿高度分配

结构通过阻尼耗能和自身的变形引起滞回耗能来抵抗地震能量输入，每层各类构件滞回耗能在该类构件滞回耗能中所占的比重定义为滞回耗能比：

滞回耗能比在一定程度上反映了各构件滞回耗能沿高度分布的规律[11].

1）由图11可知，剪力墙底部是剪力墙的主要耗能区域，剪力墙底部3层可占总剪力墙滞回耗能的50%左右，随着层高增加，剪力墙耗能比逐渐减小，可以认为上部剪力墙几乎不参与耗能[12].剪力墙耗能比的走势与最大层剪力分布较为相似，在5～14层布置阻尼器的层数耗能比的大小为方案2＜方案3＜方案1，4种方案下剪力墙耗能比的分布与结构塑性损伤的分布规律也一致，在结构塑性损伤严重的部位，耗能比相对较大.

2）图12为连梁耗能沿高度的分布图，连梁耗能比呈现底部较大，中部最大，顶部较小的走势，中部耗能比较大的原因有两方面：一是该部位是裙房和主体连接的部位，引起应力集中，吸收的地震能量较大，导致连梁耗能比较大，二是，该部位恰好越过了核心筒底部加强区，核心筒在这个部位较底部刚度减弱，连梁承担的能量变多，导致该部位连梁耗能比增加.方案3的连梁耗能比在结构上部要明显小于其他2个方案，原因是阻尼器布置在框架梁之间，吸收了部分地震能量，框架梁的变形为连梁分担了一部分能量，导致上部框架损坏严重，这点与图10展示的塑性损伤情况和表3、表4所展示的各个构件耗能占比得出的结论是一致的.

3）由图13可知，框架梁的滞回耗能比在结构高度上分配较为平均，顶部框架耗能比较小，但在结构的中下部有突变，可能有两个原因：原因一是结构在此处为主体和裙房的连接处，吸收了大量的地震能量，原因二是因为该部位越过了核心筒的加强区，框架也突然开始分担较大比例的能量，导致耗能比突增.方案4与其他3种方案相比，框架梁在上部的滞回耗能比较大，这是因为阻尼器布置在框架梁之间吸收了大量的地震能量，导致框架梁的耗能比增大.

图11 剪力墙滞回耗能比Fig.11 Energy dissipation ratio of shear wall

图12 连梁滞回耗能比Fig.12 Energy dissipation ratio of coupling beam

图13 框架梁滞回耗能比Fig.13 Energy dissipation ratio of frame beam

5 结论

1）在立面上连续布置阻尼器的减震结构在布置阻尼器的5～14层最大层间位移角和最大层剪力均小于无控结构，但在布置阻尼器的相邻层有反而增大的趋势.隔层布置阻尼器时楼层剪力有突变现象，从力和位移的角度考虑，在平面上阻尼器布置在框架和核心筒之间的减震效果要好于布置在外框架之间，在立面上阻尼器连续布置的减震效果要好于隔层布置，阻尼器布置越多减震效果越好.

2）布置阻尼器的方案在布置阻尼器的楼层各构件塑性损伤情况均比不设阻尼器的方案要小，阻尼器在框架和核心筒之间不连续布置可能使框架核心筒中部位置耗能能力减小从而导致底部核心筒部位的损伤情况加重.阻尼器布置在外框架之间可能使外框架吸收大量地震能量，导致外框架破坏严重，阻尼器在框架核心筒之间连续布置可以减轻该部位连梁和剪力墙的破坏.

3）布置阻尼器均可以大大减小结构的塑性耗能.对于同一种波，塑性耗能占比从大到小的顺序为无控结构方案、框架核心筒之间隔层布置阻尼器方案、外围框架之间连续布置阻尼器方案、框架核心筒之间连续布置阻尼器方案.阻尼器耗能占比从小到大的顺序为框架核心筒之间隔层布置阻尼器方案、外围框架之间连续布置阻尼器方案、框架核心筒之间连续布置阻尼器方案.从结构塑性耗能和阻尼器耗能占总输入能比的角度考虑，在立面上阻尼器连续布置要比非连续布置减震效果好，在平面上阻尼器布置在框架核心筒之间要比布置在框架之间减震效果好.

4）剪力墙、连梁和框架梁的滞回耗能比沿高度分布差别较大，剪力墙底部滞回耗能比较大，上部滞回耗能比较小；连梁的中部滞回耗能比较大，底部次之，上部较小；框架梁的滞回耗能比沿高度较为平均，中下部变刚度处有突变；阻尼器的不连续布置可能导致滞回耗能比突变，阻尼器布置在外框架之间可能导致框架梁上部的滞回耗能比增大，阻尼器连续的布置在框架梁和核心筒之间可使该部位的连梁和剪力墙滞回耗能比减小.从滞回耗能沿高度上分布的角度考虑，阻尼器连续布置减震效果要好于隔层布置，布置在框架核心筒之间减震效果要好于布置在外框架之间.

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[责任编辑 杨屹]

Damping effects of frame-core tube structure with fluid viscous damper

DOU Yuanming,WANG Dakai
（School of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China）

To evaluate the effects of a frame-core tube structure,finite element analysis software PERFORM-3D was used in the analysis.With the theory of transmission mechanism and the mechanism of redistribution of internal force,the dynamic nonlinear time-history analysis of a frame-core tube structure in the northwestern region of china was done.Other three schemes were compared considering the different arrangements of fluid dampers in flat and façade surfaces.The maximum story drift,story shear force,plastic damage of the frame-core tube,energy distributionand hysteretic energy consumption in height were compared,and the best arrangement of fluid dampers were found in the frame-core tube structure.

frame-core tube structure;PERFORM-3D;elastic-plastic analysis;viscous damper;vibration control

TU352.1

A

1007-2373（2017）02-0105-08

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.02.018

2016-11-02

河北省交通运输厅科技计划项目（Y-2012046）

窦远明（1956-），男，教授.通讯作者：王大凯（1989-），男，硕士研究生，dk20101027@163.com.