高烈度区框架结构混合减震设计方案比较分析

郑洋洋

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

目前，阻尼器可分为速度相关型和位移相关型两种［1］。黏滞阻尼器属于速度相关型阻尼器，其耗能能力与阻尼器两端速度有关，阻尼器两端速度越快，相应阻尼力越大，耗能作用越显著。屈曲约束支撑(BRB)属于位移相关型阻尼器，其通过屈服变形来消耗地震能量，其变形越大，耗能效果越显著［2］。

许多工程表明[3]，黏滞阻尼器在多遇和罕遇地震下均能发挥不错的耗能效果，有效地减小地震破坏作用，但不能为结构提供附加刚度且价格相对较高。在结构侧向刚度较小时，对结构的减震效果也会减弱。BRB在多遇地震下会为结构提供附加刚度用于控制变形，对层间位移角的控制效果十分显著，罕遇地震下则屈服耗能并提供附加刚度，且价格相对较低。但BRB提供的附加刚度也会使结构受到的地震作用增大。

BRB与黏滞阻尼器存在明显的互补关系，多遇地震下黏滞阻尼器可以改善BRB不消耗地震能量的缺陷，罕遇地震下BRB可以为结构提供黏滞阻尼器提供不了的刚度［4］。只要通过合理设计，充分发挥各自的优势，实现刚柔并济，就可以有效减小结构的地震破坏作用，提高结构的抗震性能[5]。

本研究选用某框架结构为研究对象，其中首层层高为4.2 m，其余层高为3.6 m，建筑高度47.4 m，其结构如图1所示。结构的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值0.2 g，结构设计使用年限为50 a，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期T g=0.4 s，地震分组为第二组。

图1 模型示意图

依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016年版）的规定，并结合工程实际情况，选择2条天然波与1条人工波对结构进行动力时程分析，3条地震波均符合规范要求。但由于篇幅有限，选择天然波1（EL Centro波）的分析结果进行讨论分析。通过Etabs将天然波1分别输入4种方案模型中，通过动力时程分析（FNA法）得到4种方案的层间剪力、位移、位移角等楼层响应。

消能器的布置根据沿高度方向均匀分段的布置原则，再根据两种消能器不同的力学性能特点，将黏滞阻尼器和BRB同时设置在混凝土框架结构中，得到4种不同的混合减震方案。4种方案均选择其中6层布置消能器，每层X向布置8个，Y向布置4个。4种方案的布置形式及位置如图2所示。

图2 消能器结构立面布置图

方案一：为控制底部抗侧刚度和控制层间位移，将BRB布置在下部2、3、4层，上部布置黏滞阻尼器在6、8、10层控制楼层速度。

方案二：为减小底部剪力，将黏滞阻尼器布置在下部2、3、4层，上部在6、8、10层位移角相对较大的楼层布置BRB控制上部楼层位移。

方案三：采用逐步布置法［6］，先通过反应谱分析，将BRB放置在结构层间位移角最大的第4层，再通过反应谱分析找到层间位移角最大的楼层放置BRB，以此类推。将BRB布置在4、5、6层。因设置BRB会使楼层上部速度加快，将黏滞阻尼器均匀布置在8、10、12层控制上部楼层速度。

方案四：在方案三BRB设置在4、5、6层的基础上，将黏滞阻尼器布置在下部2、3层及上部8层控制底部剪力和上部楼层速度。

黏滞阻尼器与BRB参数如表1所示。

表1 消能器的性能参数

4.1 结构模态分析

将各方案中模型运用ETABS提取结构的周期，各方案前三阶振型动力特性如表2所示。各振型参与质量之和不小于总质量的90%［7］，从表2可看出，各方案双向质量参与系数均大于90%，满足规范要求。

表2 不同方案周期对比

4.2 结构楼层剪力分析

由图3可知，多遇地震下，4种减震方案的楼层剪力值均被无控结构的楼层剪力值包络，表明4种减震方案均有一定的减震控制效果。其中方案二在4种混合方案中对楼层剪力的控制效果最佳。

图3 多遇地震下楼层剪力

由图4可知，罕遇地震下，对比4种混合减震方案，可以看出方案二对结构的层间剪力控制效果最好，方案四次之，说明将黏滞阻尼器布置在框架结构底部楼层可以有效控制结构层间剪力。由表3可知，罕遇地震下方案二的基地剪力控制率为X向18.88%，Y向16.65%，方案四的基地剪力控制率为X向16.77%，Y向15.19%，远高于方案一和方案三。说明将黏滞阻尼器置于结构底部楼层可减小地震反应，BRB置于层间位移角相对较大楼层控制结构位移的方案可以有效降低结构的基地剪力。

表3 罕遇地震下各方案基地剪力对比

图4 罕遇地震下楼层剪力

4.3 结构顶点位移分析

由表4可知：4种混合减震方案的顶点位移值均被无控结构的顶点位移值包络，表明4种减震方案均对结构的顶点位移值有一定的控制效果。且无论在多遇地震还是罕遇地震下，方案二的结构顶点位移控制率都最高，多遇地震下X、Y向顶点位移控制率分别为17.43%、26.86%。罕遇地震下X、Y向顶点位移控制率分别为14.87%、13.65%。说明将黏滞阻尼器布置在结构底部楼层用来减小结构的地震反应，BRB设置在结构位移角相对较大楼层控制结构位移的方案可以有效减小结构顶点最大位移。

表4 不同方案结构顶点位移

4.4 结构层间位移角分析

由表5可知：多遇地震和罕遇地震下，4种减震方案的楼层位移角最大值均满足规范要求限值。且4种减震方案都可以有效改善结构层间位移角较大楼层的变形。4种减震方案中方案二对最大层间位移角的控制率最显著，多遇地震下X、Y向的控制率分别达到27.57%、18.45%。罕遇地震下X、Y向的控制率分别达到24.59%、27.99%。表明将黏滞阻尼器布置在结构底部减小结构地震反应，BRB布置在层间位移角较大的楼层控制结构位移的方案可以有效改善结构层间位移角较大楼层的变形。

表5 不同方案的最大层间位移角对比

4.5 结构能量耗散情况

由图5可知：罕遇地震下，4种混合减震方案中方案二的阻尼器耗能明显高于其他3种方案，且模态阻尼耗能最小，地震输入能量也是最小的。说明在4种混合减震方案中方案二结构中的阻尼器的耗能能力最佳，消能减震效果最好。

图5 罕遇地震下各方案能量耗散情况

本研究根据阻尼器的各自特性不同设置了4种混合减震方案，同时将4种方案与无控结构进行对比分析，分析结果显示：在多遇、罕遇地震下4种方案均可以提高结构的抗震性能，其中方案二在多遇地震下对结构的层间位移角、顶点位移、层间剪力等性能指标的控制效果均优于其他方案。罕遇地震下，方案二的主体结构X向基地剪力减小了18.88%，顶点位移减小了14.87%，最大层间位移角减小了24.59%，减震率在4种方案中最高，阻尼器耗能效果也优于其他方案。说明在框架结构中将黏滞阻尼器布置在底部楼层减小地震反应，BRB布置在层间位移角较大的楼层控制结构位移的方案可以有效减小结构地震反应，提高结构的抗震性能。