耗能联肢墙体系的减震性能及参数影响
Seismic performance and parametric influences of damping-coupled wall system
通讯作者:
收稿日期: 2018-02-25
Received: 2018-02-25
作者简介 About authors
刘帅(1984—),男,讲师,从事工程结构振动控制研究.orcid.org/0000-0002-5278-4754.E-mail:
连梁内设置竖向变形阻尼器的耗能联肢墙体系的基本构造形式及原理如下:将联肢墙连梁在跨中位置处断开,用竖向放置的金属屈服型阻尼器连接两侧墙肢,在地震作用下两侧墙肢的竖向变形差使阻尼器发生变形,进而耗散地震能量,减少墙体的损伤. 基于宏观杆系有限元模型(考虑剪切的纤维截面)对耗能联肢墙体系进行非线性静、动力抗震分析,并以无量纲阻尼器参数为关键变量进行参数影响研究. 多个不同的阻尼器参数组合工况的分析及对比结果表明:当阻尼器参数设置合理时,耗能联肢墙的延性较常规联肢墙有所提高,地震响应明显降低,裂缝较少且分布均匀,具有良好的抗震性能和减震效果;地震动强度、地震动频谱特性及阻尼器参数的分布模式对体系的减震效果有一定影响. 根据分析结果给出设置连梁耗能联肢墙体系参数设计的相关建议.
关键词:
The wall piers were coupled by vertical metallic yielding dampers in the preset slits of coupling beams in the damping-coupled wall structure system, and the system’s basic structural forms and theory were as follows: cut off the coupling beams at their mid-spans and then connect the separated wall piers by vertically installed metallic yielding dampers. Therefore, the relative vertical dislocations between adjacent wall piers could motivate the dampers to dissipate seismic energy during earthquakes and thus the wall piers could be protected from severe damage. The nonlinear seismic responses of the damped wall were evaluated by modeling wall piers and coupling beams with macro beam elements, i.e., the fiber-section model with shear behavior, and dampers with link elements; the dimensionless parameters of dampers were chosen as key variables to execute seismic analysis and parametric studies. A series of static and dynamic nonlinear analysis cases were performed with regard to dimensionless parameters variation, and results indicates that the seismic responses of the damping-coupled wall can be well controlled with less cracks and damage compared with the conventional wall with a proper set of damping parameters. In brief, the proposed damping-coupled wall provides better seismic performance. Besides, the intensity, spectrum characteristics of seismic excitations and the distribution modes of dampers can both exert some influences on the seismic performance of a damping-coupled wall. Based on the analytical results, some recommendations are provided for the design of a damping-coupled wall.
Keywords:
本文引用格式
刘帅, 潘超, 周志光.
LIU Shuai, PAN Chao, ZHOU Zhi-guang.
在高层建筑结构中,钢筋混凝土抗震墙因其作为“第一道抗震防线”的重要性而成为地震工程研究的焦点之一. 一些学者基于结构控制理念提出了不同类型的抗震墙减震体系(耗能抗震墙),如带缝耗能抗震墙[1]、耗能连梁抗震墙[2-5]及摇摆耗能抗震墙[6-7]等,其在延性变形、滞回耗能等抗震性能指标上均优于普通抗震墙结构,为进一步改善、提高抗震墙的抗震性能提供了较为理想的解决方案. 所谓抗震墙减震体系,是指为改善抗震墙力学性能,提高整个结构体系抗震能力,在含有抗震墙的结构体系(抗震墙结构,框架-抗震墙结构,框架-筒体结构等)中,通过结构控制手段,如墙体开缝、墙内设阻尼装置等,对传统抗震墙结构进行构造上的改变后形成的新结构体系. 抗震墙减震体系实质上是在结构控制概念的指导下,协调或折中抗震墙结构刚度(或强度)与延性的产物[8]. 本文主要对连梁内设置竖向变形阻尼器的抗震墙减震体系[9]进行减震性能及参数配置方面的研究和探讨.
1. 联肢墙减震体系概述
图 1
图 2
图 2 连梁内竖向设置金属阻尼器的耗能联肢墙
Fig.2 Damping-coupled wall system with vertically installed metallic dampers in coupling beams
设计连梁时需考虑剪切刚度与抗剪承载力两方面的要求. 连梁一般高宽比较大,其剪切刚度一般可满足阻尼器支撑要求;而连梁的抗弯、抗剪承载力只需大于阻尼器的预定最大出力(考虑一定的安全系数)即可,这通常也容易实现. 因此,所提方案使得联肢墙连梁的设计更为灵活,可控性更强,阻尼器对体系刚度及耗能特性的调整可避免连梁设计中承载力与延性相矛盾的情形,较方便地实现“强墙肢弱连梁”的设计原则.
所提联肢墙减震体系一方面通过刚度调整延长结构周期,降低了结构的地震作用;另一方面利用阻尼器的耗能特性衰减结构动力响应. 因此,建议用耦合比和附加阻尼比2个参数分别表征体系刚度与阻尼的变化并将其作为设计过程中的控制参数[9].
1)耦合比[12]:
式中:lw为墙肢轴线之间的距离,
2)附加阻尼比:
式中:
2. 耗能联肢墙体系的数值分析
2.1. 有限元分析模型
2.1.1. 结构基本信息
选择的分析模型为平面双肢抗震墙,设防烈度为8度. 其几何尺寸信息如下:结构层高2 700 mm,共10层,墙厚250 mm,墙肢截面高3 000 mm,连梁跨度为2 100 mm,截面高1 200 mm(见图3). 抗震墙及连梁按规范要求设计配筋,混凝土为C40,钢筋为HRB335. 墙肢端部设约束构件(暗柱),最底部两层为配筋加强层.
图 3
2.1.2. 结构单元类型及材料本构关系的选取
(1)单元类型. 混凝土墙肢及连梁采用基于柔度法的非线性梁柱单元(dispBeamColumn单元)模拟,并用截面组合(Section Aggregator)的方法模拟抗震墙构件的剪切变形. 连梁和墙肢连接处刚域用Rigid Link单元模拟;软钢阻尼器采用Zero Length单元模拟.
(2)材料本构关系. 混凝土材料选用Concrete02,其受压骨架曲线为修正的Kent-Park模型,受拉骨架曲线简化为双折线;钢筋及阻尼器材料均选用Steel02,该材料基于Menegotto-Pinto模型,可通过调整该模型从弹性阶段过渡到硬化阶段的3个参数,实现对钢筋和阻尼器的模拟;截面剪切材料选用三线性Hysteretic材料模型,其特征点及各参数根据文献[17]的建议确定.
2.1.3. 有限元模型的建立
OpenSees具备较强的非线性分析能力,但其前处理和后处理的功能较弱,建模时需要人工编写命令生成模型输入文本文件,然后提交OpenSees计算得到文本输出结果. 在建立模型时,首先利用SAP2000的结构建模功能建立结构的几何模型,然后编制SAP2OS程序(见图4)将SAP2000模型转换为OpenSees输入文件,完成输出结构关键信息的转换并绘制结构示意图以检测转换是否正确. 计算结果的后处理工作也通过编写计算机程序完成.
图 4
2.1.4. 分析工况设置
本文所建议方案中软钢阻尼器是主要的耗能部件,其参数变化将对结构体系耗能特性产生较大影响. 考虑钢/软钢阻尼器及原结构的力学特性,定义3个无量纲参数如下.
式中:kcb为连梁的等效剪切刚度,本研究中
式中:
分析工况设置如下(分析结果将在第2.2节中进行详细论述).
1)工况一:令
2)工况二:令
3)工况三:根据工况一、二的分析结果选取合适的阻尼器参数,选择幅值及频谱特性不同的地震波对耗能联肢墙进行时程分析.
4)工况四:根据工况一、二的分析结果选取合适的阻尼器参数,变换几种不同的阻尼器参数竖向分布模式,通过动力时程响应分析考察阻尼器参数分布模式对体系性能的影响.
2.2. 计算结果及分析
2.2.1. 静力分析(工况一)
静力Pushover分析时采用倒三角加载模式,目标顶点位移取
图 5
图5(b) 给出了推覆过程中内力耦合比的变化规律,对于常规联肢墙及阻尼器屈服力较大的减震抗震墙,耦合比的变化趋势是先增大后减小后又增大,耦合比增大表明墙肢先于连梁或阻尼器发生屈服(或破坏)而导致其承担的弯矩比例下降,这种“强梁弱墙”的机制对于抗震是极为不利的. 当阻尼器屈服力降低时,耦合比增大的趋势逐渐消失,且加载到一定阶段后(大致为墙肢屈服后,约在
2.2.2. 动力分析(工况二)
为进一步验证所提出体系的抗震性能,对前述的简单实例进行动力时程分析. 选择El-Centro波作为地震激励输入,激励峰值分别取PGA=70, 200, 400 gal,对应抗震规范中设防烈度为8度时的多遇地震(以下称小震)、设防地震(以下称中震)、罕遇地震(以下称大震). 通过对减震前、后的结构动力响应的对比分析,探讨体系的减震控制性能及阻尼器力学参数对控制效果的影响.
取常规联肢墙与耗能联肢墙响应的顶点位移比
为综合考虑位移与剪力的减震效果,采用
式中:β为位移控制指标加权因子,取值范围为0~1.0,β值越大表明位移响应控制的权重越大.
根据计算分析结果分别绘制顶点位移比、底部剪力比(以PGA=200 gal为例)与阻尼器参数关系的云图,如图6所示,云图中以
图 6
图 6 阻尼器参数对结构减震效果的影响
Fig.6 Influences on structural responses due to variation of dampers’ parameters
如图7所示为根据式(3)绘制的综合减震指标云图(加权因子
图 7
1)随着地震强度的增大,“优化性能区”的位置向斜上方平移,这表明阻尼器刚度与屈服变形的乘积(即屈服力)在增大,亦即强震下需要阻尼器具备稍大的屈服力以耗散地震能量.
2)中震下“优化性能区”的面积最大,颜色最浅,表明中震下体系的控制效果较理想. 小震下控制效果稍差的原因是阻尼器非线性程度低,其阻尼效应未得到充分发挥;而大震下控制效果稍差则是由于软钢阻尼器较大的塑性变形导致其等效刚度降低,从而引起体系耦合比及等效附加阻尼比的降低.
3)云图“优化性能区”内的虚线为减震指标峰值点(最小)的连线,其趋势大致为直线,且3条峰值连线基本位于中震的“优化性能区”内,以函数
图8给出了阻尼器参数取“优化性能区”内某组合时(
图 8
图 8 阻尼器参数在“优化性能区”取值时内耗能联肢墙体系的减震效果
Fig.8 Damping effects of damping-coupled wall with parameters within “optimal performance region”
中震和大震下常规联肢墙与耗能联肢墙的裂缝形态对比如图9所示. 可以看出,在同一强度地震激励下,耗能联肢墙的裂缝明显少于常规联肢墙,分布也更为合理. 常规联肢墙裂缝主要集中于墙肢底部,而且开裂严重;墙肢上部(5层以上)则裂缝较少;所有连梁均严重开裂. 对于耗能联肢墙,由于阻尼器屈服剪力小于连梁开裂剪力,连梁上基本未出现裂缝,墙肢上的裂缝位于墙肢两侧,未形成通长裂缝,且沿高度分布较均匀(底部开裂稍多). 裂缝形态的差异表明:与常规联肢墙相比,同一地震作用下耗能联肢墙墙体的损伤较轻且分布较均匀,具备更好的抗震性能.
图 9
图 9 常规联肢墙与耗能联肢墙的裂缝形态
Fig.9 Crack pattern of conventional wall and damping wall
2.2.3. 地震动强度及频谱特性的影响(工况三)
由上文的分析可知,体系的控制效果在不同水准地震激励下是不同的,为进一步考察地震动强度对体系减震性能的影响,取地震动(仍选用El-Centro波)加速度幅值PGA=35 PGA~400 gal对结构体系(kd0=160.0 kN/mm,udy=1.0 mm)进行分析.
PGA及阻尼器平均延性系数
图 10
图 10 不同水准地震下耗能联肢墙的减震性能
Fig.10 Seismic performance of damping-coupled wall under various earthquake levels
地震动频谱特性对抗震墙减震体系控制效果的影响可通过不同特征周期的震动激励来考察. 依据抗震规范反应谱(GB 50011-2010),采用EQSignal软件[18-20]生成不同特征周期的人造地震动作为地震输入,对体系进行动力时程分析,地震动峰值取PGA=200 gal,地震动特征周期依次取Tg=0.20, 0.30, 0.40, 0.55, 0.75, 0.90 s. 人造地震动归一化反应谱
图 11
图 11 人造地震动反应谱
Fig.11 Time-history curve and response spectrum of artificial ground motions
图 12
图 12 地震动特征周期对耗能联肢墙性能的影响
Fig.12 Time-history curve and response spectrum of artificial ground motions
2.2.4. 阻尼器参数分布模式的影响(工况四)
阻尼装置在结构中的安装位置及参数分布模式对减震控制结构的性能有一定的影响,合理的布置方式可以提高阻尼器的耗能效率或以较少的阻尼装置获得理想的减震效果. 下面对几种不同阻尼器参数竖向分布模式下结构的响应进行对比以考察其对体系减震效果的影响,寻求较为高效的分布模式. 金属阻尼器耗能效果与其变形密切相关,而阻尼器的变形又大致与层间位移角
为保证几种分布模式的可比性,宜取各模式耦合比相等,简化起见近似认为各模式中阻尼器屈服剪力之和
表 1 不同参数分布模式下耗能联肢墙体系的底部剪力与倾覆力矩
Tab.1
模式 | PGA=70 gal | PGA=200 gal | PGA=400 gal | |||||
Vs/ kN | MOT/ (kN·m) | Vs/ kN | MOT/ (kN·m) | Vs/ kN | MOT / (kN·m) | |||
1 | 678.05 | 11 820.48 | 1 021.41 | 16 902.99 | 1 678.91 | 22 861.01 | ||
2 | 657.74 | 12 076.26 | 1 029.07 | 17 685.39 | 1 714.59 | 23 684.04 | ||
3 | 750.21 | 12 523.13 | 1 027.03 | 16 974.46 | 1 702.35 | 22 604.13 | ||
4 | 690.13 | 12 342.54 | 1 031.41 | 17 867.38 | 1 701.30 | 23 968.66 |
图 13
图 13 不同参数分布模式下耗能联肢墙体系层间位移角响应
Fig.13 Story drift responses of damping-coupled walls with different parameter distribution modes
3. 结 论
(1)所提出的设置竖向变形阻尼器抗震墙减震体系通过将连梁断开适当降低了抗震墙结构的刚度,延长了结构周期,避免抗震墙刚度过大引起的较大地震作用;使用缝中设置的软钢阻尼器替代结构耗散部分地震能量,保护结构免受严重损伤,便于震后修复.
(2)对设置竖向变形阻尼器抗震墙减震体系的一个简单实例进行了静、动力非线性分析,从结构内力、位移响应及裂缝形态等方面验证了耗能联肢墙的减震效果,并讨论了阻尼器参数对减震效果的影响,表明阻尼器刚度及屈服变形在某一合适的范围内取值时结构可以获得良好的减震控制性能.
(3)地震动强度及频谱特性对体系的减震控制性能有较为显著的影响,本文体系在中等强度地震(对应阻尼器减震效率较高)及地震反应谱特征周期满足
(4)根据本文分析结果,耗能联肢墙中阻尼器的参数设置可参照下述建议:阻尼器刚度参数
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