建筑结构空间减震性能优化技术研究

田少华，刘康宁

(1.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司，济南 250003；2.山东省建筑设计研究院有限公司，济南 250001)

1 引言

地震是全球较频繁的一种自然灾害， 其造成的破坏也是很大的。建筑物在地震中会受到损伤，从而加快自身毁坏[1]。为防范地震给人们带来的巨大灾难， 国内外学者在积极开展地震危险性预警研究[2]。由于地震随机特性和预警系统的滞后特性，使得对地震的早期预警效果很差[3]。因此，通过合理的结构抗震设计来改善建筑物抗震性能，是防震减灾的根本措施。 传统的抗震体系是强度抵抗型，即加大结构强度，利用结构弹塑性变形吸收能量，但由于结构截面加大、刚度增加、质量增大，相应的地震效应会增大，结构经济性差。 结构减震技术能够有效达到减震和耗能目的，在结构中设置黏滞阻尼器，不仅能消耗地震能量，而且能有效控制结构变形。 本文探讨在不同设计参数及布置方式下黏滞阻尼器的抗震性能， 并确定最终设计方案，为工程实践提供一定的借鉴意义。

2 基于黏滞阻尼器的建筑结构空间抗震性能优化技术

在地震能作用下，通过增加构件或设备能够迅速、充分地消耗建筑物吸收的地震能， 从而降低建筑结构地震响应。 另外，耗能装置还可增强结构主体刚度，从而达到更好的减振效果。 黏滞阻尼器主要是由钢板和黏性液体组成，主要布置在建筑结构的墙壁中。 内钢和外钢分别固定在上下部墙体结构上，且内钢在上下结构中具有面内可移动性。 外部震动使得上下层钢板产生相对运动，从而使得内部黏性液体剪切变形，形成阻尼力消耗地震引起的能量波动，从而达到抗震效果。 从黏滞阻尼器的原理来说，阻尼力能削弱建筑的结构振动，但实际结构的复杂阻尼特性导致难以精准确定振动的位置。 因此，一般将阻尼器的阻尼设为线性阻尼。 当地震荷载作用时，随着结构侧向变形受力增大， 阻尼器消能结构会率先进入非弹性变形状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，迅速消减建筑结构的地震反应，从而达到保护建筑主体结构的作用。

建筑结构的抗震性能与结构的附加阻尼和地震波的特性密切相关。 对于具有黏滞阻尼装置的结构，其阻尼比不宜超过0.25。 地震时多数建筑结构都会引起地震带来的振动放大，可通过调节减震结构的阻尼比，来降低其在地震作用下的反应。黏滞阻尼器不同的连接方式对于结构在地震作用下的影响也是不同的，单斜撑、交叉斜撑等连接方式在实际建筑工程中应用较多。 从目前研究来看，研究者在阻尼器结构的目标函数问题上已经取得不错成果，得出以顶层位移、层间位移角等控制目标的目标函数。 此外，振型也是重要的控制目标研究方向，以振型为控制目标的目标函数通过时程分析进行楼层情况分析，利用多次循环的方式确定最大指标的位置，然后对阻尼器结构矩阵进行对应修改，从而优化结构的竖向位置设计。

黏滞阻尼器是一种被动控制设备，主要用于高层建筑。 对于耗能减振结构，当使用黏滞阻尼器时，其阻尼系数、阻尼指标等参数不同时，其减振效果也有所不同。 阻尼系数会直接影响阻尼器效果，不同参数下的阻尼力之间存在较大差异，还需考虑到诸如黏滞阻尼器元件自身的磨损与失效。

3 基于黏滞阻尼器的建筑结构空间抗震性能优化技术仿真实验

3.1 考虑黏滞阻尼器参数的建筑结构抗震性能验证

此次研究基于以“L”形非规则钢筋砼框架为主体的工程实例。主体结构共15 层，总高60.2 m，第1～4 层楼高4.6 m，其余层楼高3.8 m。 该建筑物在横向共有7 跨，每跨跨度6.1 m，全长42.7 m；纵向共有5 跨，每跨跨度6.1 m，总宽度30.5 m。本项目选择EL-Centro 地震波为试验波形。 本研究选取的建筑物共15 层，每一层最大层间位移随着黏滞阻尼器数量的增加而减小。 此次实验共采用110 个黏滞阻尼器，选择人字形连接方式的黏滞阻尼器布置方式。实验采用SAP 2000 软件辅助分析，该软件适用于建筑结构设计、分析与研究，可以对钢筋混凝土、钢筋、混杂结构进行设计与分析，其分析功能涵盖了建筑工程学的所有方面。 本文所选择的单体建筑结构，安全等级为二级，设计工作年限为50 a，其抗震设防烈度为8 度（0.20g）。

当建筑结构产生过大的变形时， 黏滞阻尼器的控制效果就会趋近于零。 此时阻尼器就不会为原建筑结构增加附加刚度，也不会对建筑结构的自振周期产生较大程度的影响，不会导致周期发生较大的变动。 黏滞阻尼器能够在保证原有结构减震性能的前提下，提高减震效果。 在使用黏滞阻尼器时，必须先确定其阻尼系数及阻尼指标，才能确定其阻尼力。 方案1的阻尼系数为300 kN·s/m，阻尼指数为0.15；方案2 的阻尼系数与方案一保持一致，阻尼指数为0.30。

图1 显示了在EL-Centro 地震波激励下， 两种不同抗震方案及原有结构的位移结果。 结果表明，在地震作用下，原有结构的最大楼层位移明显降低。 在EL-Centro 波作用下，方案2 比原建筑结构横向减少69.59%， 纵向减少55.47%； 方案1比原建筑结构横向减少46.23%，纵向减少31.76%。 由图1 中数据可知，抗震结构的横向减震效果比纵向好，而且相较于方案1，方案2 的作用效果更明显，说明阻尼指数较大时，其消能减震结构的耗能减震性能更优。

图1 EL-Cent r o 波作用下两种抗震方案的楼层位移结果

图2 为EL-Centro 波作用下， 两种抗震方案和原结构下的层间位移角。 图2 中结果显示， 对原结构加设黏滞阻尼器后，其黏滞阻尼器结构的最大位移角有很大程度的减小。 方案2 的作用效果更明显，进一步验证了当阻尼指数较大时黏滞阻尼器耗能减震性能更优的结果。

图2 EL-Cent r o 波作用下两种抗震方案下的层间位移角

3.2 考虑黏滞阻尼器位置的建筑结构抗震性能验证

在实际工程中， 黏滞阻尼器的布置方式对结构的减震效应也有较大影响。 因此，对黏滞阻尼器布置方式进行合理选择不但可以保证结构的安全性能，而且还可以减少使用数量，从而获得更大的经济利益。 以上述试验中的单体结构为例，优化设置黏滞阻尼器结构方案， 并将其在不同布置方案中的抗震效果进行对比，为实际工程提供参考。 为了清晰展示不同阻尼器布置方案产生的结构抗震效果差异， 此次研究在阻尼器布置数量相同的条件下， 对两种不同黏滞阻尼器位置布置方案进行实验分析。 方案一：黏滞阻尼器在各层均匀布置，并在每层对称布置7 个。 方案二：采用加权系数法对黏滞阻尼器进行布置。 该方法基本步骤为：第一步，求出该结构所需黏滞阻尼器总数；第二步，用原始结构层间位移角作为指数，求出每层层间位移角所占的全部层间位移角， 并求出每层所需黏滞阻尼器数量；第三步，将所有黏滞阻尼布置设置完毕。

通过对比分析， 发现两种不同位置布置抗震结构相对原结构抗震效果较好。 图3 结果表明，在EL-Centro 波作用下，最大和最小阻尼分别达到了82.45%和25.36%的水准，两种布置方式都起到了相当的减震作用。 通过对两种布置方式的比较，得出方案2 布置方式的抗震效果比方案1 更好。 表明合理布置黏滞阻尼装置可以有效地改善建筑结构的抗震反应。

图3 EL-Cent r o 波作用下位置布置方案的楼层位移结果

4 结论

此次研究分别进行了考虑黏滞阻尼器参数和考虑黏滞阻尼器位置的建筑结构抗震性能仿真实验， 两个实验均设置了两种方案。 最终实验结果显示：第一个实验，在EL-Centro 波作用下， 方案2 比原建筑结构横向减少69.59%， 纵向减少55.47%；相较于方案1 来说，方案2 的作用效果更佳，证明当阻尼指数较大时，阻尼器减震结构的耗能减震性能更优。 第二个实验得出方案二布置方式的抗震效果比方案一更好的结论。 该研究可为工程实践提供一定的借鉴意义。