嚴 俊，龐金來，施衛(wèi)星

(同濟大學，上海200092)

0 引 言

傳統(tǒng)裝配式框架結(jié)構，即采用橫向設置整榀預制主框架、而縱向采用聯(lián)系梁連接的結(jié)構體系，直到上世紀九十年代初期還在我國得到廣泛應用.由于裝配式框架的梁、柱、樓板預制，框架節(jié)點應力集中顯著，側(cè)向剛度小，在強烈地震作用下，結(jié)構產(chǎn)生水平位移較大，因此設計時如何提高框架的抗側(cè)剛度及控制好結(jié)構側(cè)移為重要因素.將速度型阻尼器和防屈曲支撐等概念應用到此類建筑是一種可能的選擇.

近年來，翁大根等采用層間增設粘滯阻尼器對某未抗震設防的八層鋼筋混凝土框架結(jié)構采用效消能減震支撐支撐進行加固，提出由于結(jié)構體系層間位移角最大值可以增大結(jié)構抗震安全性.楊溥等采用層間增設粘滯阻尼器對某未抗震設防的八層鋼筋混凝土框架結(jié)構采用效消能減震支撐支撐進行加固，提出由于結(jié)構體系層間位移角最大值可以增大結(jié)構抗震安全性.趙瑛等提出防屈曲支撐由于其拉壓等強的特性，對梁跨中并不產(chǎn)生不平衡力，從而較少影響結(jié)構彎矩和剪力變化.劉金等對單榀框架采用不同樓層設置粘滯阻尼器方式進行地震波作用下時程分析，提出每層均布置阻尼器的情況下各層柱端彎矩較原結(jié)構有較大降低的觀點.

本文對比了在裝配式框架結(jié)構的縱向體系中增設阻尼器和防屈曲支撐，采用時程分析方法，比較結(jié)構側(cè)移、梁端彎矩及彈塑性發(fā)展情況等，進而提出該類結(jié)構體系在阻尼器和防屈曲支撐作用下的具有一定減震效果.

1 速度型阻尼器和鋼支撐的基本特性

1.1 速度型阻尼器

速度型阻尼器是利用與速度相關的粘滯性所產(chǎn)生的抵抗作用來獲得衰減力.設計時，根據(jù)目標減振建筑物的允許位移、周期、反應加速度等，確定阻尼器的抵抗力和粘性衰減常數(shù)，并考慮阻尼器的配置和界限位移等條件，確定尺寸和數(shù)量.

在建筑結(jié)構的減振控制中，當粘滯流體阻尼器通過支撐連接安裝到建筑結(jié)構上時，可以將支撐等效處理為一根彈簧，則計算模型簡化為一根彈簧與一個粘滯阻尼元件的串聯(lián).如圖1 所示:

粘滯阻尼器通過建筑結(jié)構傳遞的外力迫使流體通過阻尼筒中活塞上的小孔來產(chǎn)生阻尼.阻尼器的輸出力一般包括阻尼力和彈簧力，粘滯阻尼器可以輸出純阻尼力，其理想輸出力為用下式表示:

c0為粘滯阻尼器的阻尼系數(shù);α 為粘滯阻尼器的速度非線性指數(shù);V 為阻尼器兩端的相對速度.

當α=1 時，輸出力與速度成線性關系，此時稱為線性粘滯阻尼器;當α ≠1 時，輸出力與速度成指數(shù)關系，此時稱為非線性粘滯阻尼器.圖2 所示即為輸出力F 與相對速度V 的關系曲線圖.

圖1 粘滯阻尼器計算模型簡化圖

圖2 粘滯阻尼器的輸出力F 與相對速度V 的關系曲線圖

圖3 防屈曲支撐構造

1.2 防屈曲支撐

防屈曲支撐是一種由外圍約束套管、內(nèi)核鋼芯以及兩者之間的無粘結(jié)隔離材料組成的新型的支撐形式，其結(jié)構如圖3 所示.鋼芯與主體結(jié)構相連構成了其主要的受力構件，為建筑結(jié)構提供抗側(cè)剛度.外圍約束套管為鋼芯提供側(cè)向約束，防止支撐受壓屈曲變形.當在拉壓荷載的作用下防屈曲支撐發(fā)生屈服后通過滯回變形消耗地震能量.

圖4 防屈曲支撐與傳統(tǒng)支撐的屈服滯回曲線

圖5 三種結(jié)構體系的縱向框架

在彈性變形范圍內(nèi)，防屈曲支撐與傳統(tǒng)支撐一樣.工作機理相類似.在地震反復荷載較大時，傳統(tǒng)支撐會發(fā)生失穩(wěn)，但防屈曲支撐由于受到外圍約束套管的約束不會發(fā)生失穩(wěn)，而是發(fā)生屈服進入塑性變形階段.由于其拉壓強度接近，在拉壓反復荷載作用下滯回曲線對稱、飽滿，比傳統(tǒng)支撐具有更好的的抗震性能，如圖4 所示.

2 算例分析

2.1 概 述

某六層裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構小學教學樓，底層層高4.2m，其余各層3.3m.取縱向框架進行分析，恒荷載30KN/m，活荷載12KN/m.設防烈度為7 度(0.1g)，場地類型為Ⅳ.

分別采用純框架結(jié)構、防屈曲支撐結(jié)構、阻尼器結(jié)構進行設計，梁柱結(jié)構構件混凝土強度等級均為C30，使用SAP2000 進行設計分析.

我國抗震設防目標為:小震不壞、中震可修、大震不倒.具體做法上，在小震作用下需驗算結(jié)構彈性變形，根據(jù)規(guī)范，彈性層間位移限制取1/550;在大震作用下驗算結(jié)構的彈塑性變形，根據(jù)規(guī)范，彈性層間位移限制取1/50.

圖6 MEX7X 波

圖7 MEX7X 波小震作用下各結(jié)構體系頂點位移

2.2 阻尼器和防屈曲支撐的設計

在SAP2000 建模中，三種結(jié)構模型均采用平面框架建模;材料的彈性模量、密度、屈服強度等參數(shù)均根據(jù)實際情況取值;在兩端設置M3 型塑.阻尼器設計如下:質(zhì)量0.1751kN，重量0，線彈簧比例0.3048，面、實體彈簧比例0.0929，方向U1(非線性)，剛度175126.9kN/m，阻尼系數(shù)837.3188，阻尼指數(shù)0.5;屈曲支撐設計如下:材料Q345，外直徑273mm，壁厚度6mm.

圖8 MEX7X 波小震作用下各樓層層間位移角

圖9 MEX7X 波大震作用下各結(jié)構體系頂點位移

2.3 地震作用下的結(jié)構反應

眾所周知，防屈曲支撐能為建筑結(jié)構提供較好的抗側(cè)剛度，克服在地震作用下傳統(tǒng)支撐的突發(fā)性失穩(wěn)，從而導致結(jié)構破壞，抗震性能較差.而對于該算例這類結(jié)構剛度小的裝配式框架結(jié)構，有必要對純框架、防屈曲支撐框架、阻尼器框架結(jié)構在大震、小震作用下進行比較分析.

2.3.1 地震波的選取

本算例選用墨西哥MEX7X 波作為輸入波，時程分析下，水平地震加速度峰值在小震、大震作用下7 度區(qū)分別為35gal、220gal.

2.3.2 阻尼器和鋼支撐在小震作用下的時程分析

由時程分析結(jié)果可知，在小震作用下，純框架結(jié)構的頂點位移大于結(jié)構彈性限值，而阻尼器結(jié)構和防屈曲支撐結(jié)構的頂點位移小于結(jié)構彈性限值，且較純框架結(jié)構有較為明顯的減小.分別減小了25.2%及56.9%，圖6 為三種結(jié)構的頂點時程位移對比.

表2 小震作用下各體系的頂點位移

圖10 MEX7X 波大震作用下各樓層層間位移

本算例在每層均選取了一根彎矩較大的梁進行三種結(jié)構的比較分析，所選取的梁編號如圖5 所示.比較得知，在小震下，阻尼器對裝配式結(jié)構框架縱向體系有良好的減震效果，減震效果在50%—80%;鋼支撐結(jié)構則減震效果不明顯，部分桿件地震效應甚至較純框架有所增大.

表3 小震作用下各體系的梁端彎矩(kN·m)

2.3.3 阻尼器和鋼支撐在大震作用下的時程分析

由時程分析結(jié)果可知，在大震作用下，三種結(jié)構的頂點位移小均于結(jié)構倒塌限值，防屈曲支撐框架和阻尼器框架較純框架結(jié)構有較為明顯的減小，分別減小了25.1%及59.0%.

比較得知，在大震下，阻尼器對裝配式結(jié)構框架縱向體系有良好的減震效果，減震效果在54%—68%;防屈曲支撐結(jié)構則減震效果不明顯，部分桿件地震效應甚至較純框架有所增大.

表4 大震作用下各體系的頂點位移

通過sap 的時程積分計算可知，小震作用下三種結(jié)構體系均處于彈性狀態(tài).大震作用下，純框架體系的各個梁端均出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構進入塑形狀態(tài);而在有阻尼器結(jié)構體系中，原有結(jié)構仍處于彈性工作狀態(tài).選取邊跨上兩根彎矩較大的構件進行對比分析，如圖10 所示，可知阻尼器的減震效果顯著，構件109－1、110－1 梁端彎矩分別減少54.0%和56.7%.

圖11 純框架結(jié)構在大震下出現(xiàn)塑性鉸

圖12 阻尼器在大震下的減震效果

總的來說，六層的鋼筋混凝土裝配式框架結(jié)構房屋，其梁柱截面較小，抗側(cè)剛度較小，輸入特定峰值的地震波后，就防屈曲支撐框架和阻尼器框架對減震效果的計算比較，可知防屈曲支撐體系和阻尼器體系可減小各層的位移反應，又可減小各層反應值的差異，避免薄弱層的發(fā)生;以及不同體系在相同強度的地震波作用下，減震效果不同，阻尼器的效能性能較好;尤其在大震作用下，有阻尼器的體系中，原有結(jié)構處于彈性工作狀態(tài)，是今后裝配式框架結(jié)構抗震的不錯選擇，值得推廣.

表5 大震作用下各體系的梁端彎矩(kN·m)

107－1 158.67 195.22 58.87 0 62.9 108－1 102.02 153.58 32.02 0 68.61

3 結(jié) 語

本文研究了縱向抗側(cè)剛度較弱的裝配式框架結(jié)構在純框架、防屈曲支撐、阻尼器結(jié)構體系下的抗震性能.首先分析了速度型阻尼器和鋼支撐的基本特性，為之后的阻尼器設計、防屈曲支撐設計及結(jié)構體系的地震反應分析提供了依據(jù).最后通過算例說明了阻尼器具有良好的減震效果.

［1］ 翁大根，陳廷君，呂西林，等.某鋼筋混凝土框架增設阻尼器抗震加固分析研究［J］.工程抗震與加固改造，2007，29(3):65－71.

［2］ 楊溥，姬淑艷，肖志，等.粘滯阻尼器加固的某RC 框架結(jié)構抗震性能分析及優(yōu)化設計［J］.重慶大學學報(自然科學版)，2007，30(8).

［3］ 劉金，趙林，劉慶梅，等.屈曲約束支撐布置方式對多層框架抗震性能影響［J］.建筑結(jié)構，2011，41(增刊):158－161，40(S1):158－161.

［4］ 趙瑛，郭彥林.防屈曲支撐框架設計方法研究［J］.建筑結(jié)構，2010，40(1):38－85.

［5］ 中華人民共和國行業(yè)標準.GB 50011－2010 建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.