阻尼器在框架结构中的优化布置分析
作者：田子波刘向军
来源：《建筑与装饰》2018年第02期
摘要针对地震作用对高层建筑的影响较大，提出在框架结构中布置阻尼器以减少地震作用对建筑物的损害。
以建筑设计的某工程案例为实际应用，对安装在框架结构中不同位置的阻尼器，通过PKPM软件输入不同类型的地震动，对比阻尼器安装在框架结构中的不同布置方式的数据（周期、位移等）进行计算分析，得出阻尼器优化布置方式。
结果表明：在结构中布置阻尼器的楼层，其层间位移和位移角显著减小，而未布置阻尼器的结构楼层，其层间位移角则相对比较大；其中逐层布置阻尼器的结构模型相比于只在底部布置阻尼器的结构，其层间位移角整体相对较小。
关键字阻尼器；层间位移；地震周期；优化布置；时程分析
在地震发生时，地震产生的地震能量会源源不断地向建筑物传输能量，当建筑结构接受了大量的地震能量，必然要通过能量的相互转换才能将能量传输出去结束振动。
传统的抗震体系就是增强建筑结构自身的抗震性能来抵抗地震对建筑物产生的影响。
即增强结构构件的承载能力，在结构构件破坏过程中消耗地震能量。
然而这种方式需要建筑结构产生塑性变形来消耗地震能量，建筑物会产生不同程度的破坏，由于地震的不可预测性和不可控制性，对建筑物的破坏程度也不同，当发生较强的地震时，建筑物产生较大程度的破坏，对人民的生命和财产产生较大的危害。
为了克服传统抗震体系存在的不足，在建筑过程中结构消能体系逐渐发展起来，结构消能减震体系就是通过将结构构件的设计成消能杆件或者在建筑结构中加设消能装置。
当发生地震时，消能构件或者消能装置会率先进入非弹性状态，产生较大的阻尼，消耗建筑结构输入的大量地震能量，减少地震能量对建筑物自身的破坏，确保建筑物在地震中的安全。
本文基于减隔震体系理论，对阻尼器布置在不同的位置进行弹塑性动力时程分析，并从结构的层间位移、层间剪力、地震周期等进行分析计算，综合评价了阻尼器对框架结构动力特性的影响[1]。
1 建筑消能减震技术原理
结构中设置阻尼器的振动方程：
等式中的每一项均是影响抗震设计的一个内容，也对应着我们进行抗震设计时的一种手段。
其中：M为结构质量；C结构阻尼；K结构刚度；为外部输入的地震振动。
以上四个变量是影响结构地震响应的主要参数，从上式可以清晰地看出，常规抗震设计中，一般是从调节结
构刚度入手。
而使用消能减震技术，可以同时改变结构的刚度和阻尼，而阻尼的增加带来地震力的减少并使得结构的刚度分布更加合理，有效地减少结构构件的尺寸，带来结构刚度和质量的减少，进一步减少地震作用[2]。
2 结构模型及方案设计
2.1 结构模型
结构模型为总高度35.4m的10层钢筋混凝土框架结构，结构平面示意图如图1所示，结构整体模型示意图如图2所示。
边跨7.2m，中间跨2.4m，间距8.4m；地下室一层标高3.3m，首层高4.0m，其余各层3.3m。
梁、板混凝土强度等级为C30，柱混凝土强度等级为C40。
边柱截面尺寸为600×800mm，中柱截面尺寸为600×700mm。
Y向框架梁截面尺寸为
300×700mm，X向框架混凝土梁截面尺寸为400×700mm，次梁截面尺寸为200×550mm，标准层板厚为110mm，顶楼板厚为120mm。
设计抗震信息分组为第三组，地震烈度为7度，场地类别为Ⅲ场地，设计基本地震加速度为0.1g[3]。
2.2 方案设计
针对图3结构模型所布置的阻尼器分别加载RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和
TH052天然波（如图4所示），分别记录分析结构模型没有加设阻尼器的层间位移，结构模型在楼层底部到中间层加设阻尼器的层间位移和结构模型逐层布置阻尼器的层间位移数据变化情况，对比分析出结构模型逐层布置阻尼器对建筑结构抗震减震设计具有较好的作用效果[4-6]。
3 阻尼器对结构变形的影响
3.1 阻尼器对结构水平位移的影响
基于RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波对结构模型的影响得出结构变形的最大水平位移（如图5所示），分析在不同地震中阻尼器的布置对结构最大水平位移的影响[7]。
根据上图数据比较可以看出：
（1）当结构没有布置阻尼器时，结构楼层最大位移比较大。
（2）当结构1到5层布置阻尼器时，结构各楼层最大位移相比没有布置阻尼器的楼层最大位移减少很多，作用效果比较明显。
（3）当结构逐层布置阻尼器时，结构楼层最大位移相比在1到5层布置阻尼器的楼层最大位移整体稍有减少，特别是在楼层上部，楼层最大位移减少相对较为明显[8]。
3.2 阻尼器对结构层间位移角的影响
基于RH1TG025人工波、TH1TG025天然波和TH052天然波对结构模型的影响得出结构变形的层间位移角（如图6所示），分析在不同地震中阻尼器的布置对结构层间位移角的影响。
根据上图数据比较可以看出：
（1）当结构没有布置阻尼器时，结构楼层最大层间位移角比较大。
（2）当结构1到5层布置阻尼器时，结构各楼层最大层间位移角相比没有布置阻尼器的楼层最大层间位移角减少很多，作用效果比较明显。
（3）当结构逐层布置阻尼器时，结构楼层最大层间位移角相比在1到5层布置阻尼器的楼层最大层间位移角整体稍有减少，特别是在楼层上部，楼层最大层间位移角减少相对较为明显[9]。
4 结束语
阻尼器的布置能够有效地加强建筑结构减震抗震的能力，有效地减少建筑结构水平位移和层间位移角。
当楼层未布置阻尼器时，楼层的位移较大，有时会出现最大位移超出相应的结构抗震规范数值；当只在结构底部布置阻尼器时，其建筑结构整体相对位移明显减少，但其上部位移值相比逐层布置阻尼器时上部位移值略有偏大。
随着阻尼器布置层数的增多，结构上部楼层水平位移减少，建筑结构的最大水平位移和最大层间位移角随着阻尼器布置层数的增加而减少。
因此，在建筑结构当中布置阻尼器时，应该逐层布置，避免阻尼器布置不连续和中断。
参考文献
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