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摘要：越来越多的消能减震技术运用于结构的抗震加固中，如云南某建筑采用剪切型阻尼器降低结构地震反应。本文简要介绍剪切型阻尼器构造，采用有限元软件对该结构进行加固前和加固后动力弹性时程分析，分析结果对比表明：该消能减震结构不仅能满足规范要求，而且能显著提高结构在地震作用下的抗震性能。
关键词：剪切型阻尼器；动力弹性时程分析；抗震性能
中图分类号： TU352.1文献标识码： A
引言
剪切型阻尼器由耗能钢板（剪切钢板），翼缘板，加劲板及连接板组成。耗能钢板是阻尼器的核心部分，受力时消耗能量。加劲板布置于耗能钢板两侧，一侧采用横向加劲，另一侧采用竖向加劲，防止耗能钢板局部屈曲，对于加劲板而言，不仅要防止局部屈曲，还要有足够的刚度形成固定边界以延缓腹板局部屈曲的发生[1]。翼缘板主要是为阻尼器提供面外刚度，防止面外刚度过小而出现阻尼器面外较面内先屈服。连接板是阻尼器与结构的连接构件，可通过螺栓或焊接与结构构件连接。剪切型阻尼器的原理是利用剪切板平面内产生剪切变形以达到消能减震的目的，其滞回曲线稳定，疲劳性能好，变形能力强，是一类理想的耗能减震产品。
工程概况
本工程为7层钢筋混凝土框架结构，1层层高为5.7m，2~3层层高为4.2m，4~7层层高为3.6m。各层梁、板混凝土强度等级为C30，柱混凝土强度等级为C40。所有梁、柱、板纵向受力钢筋为HRB400，箍筋为HRB335。
建筑抗震设防类别乙类，结构安全等级一级，设防烈度为8度（0.2g），地震分组为第二组，场地类别II类，框架抗震等级一级，场地特征周期0.4s。本文采用Midas/Gen软件进行结构加固前和加固后动力弹性时程分析。
结合建筑平面及结构平面特点，在结构的2~4层布置支撑式剪切型阻尼器，每个楼层X、Y向各布置两组，共计12组支撑式剪切型阻尼器，X、Y向各6组。剪切型阻尼器考虑多遇地震耗能，提供附加阻尼比3.5%，结构固有阻尼比5%，结构总阻尼比为8.5%。阻尼器的布置位置如图1所示。
动力弹性时程分析
本文选取三条天然地震波，地震波的选取符合II类场地及场地特征周期0.4s的要求，地震波的时程及影响系数曲线如图2所示，地震波对应的地震影响系数曲线均与规范规定的场地的反应谱接近，说明所选地震波是符合要求的。
图1 阻尼器平面布置图
a) 地震波1 b) 地震波2
c) 地震波3d)对应的地震影响系数曲线
图2 天然地震波时程曲线及地震影响系数曲线
3.1 加固前后层间位移角对比
结构加固前后最大层间位移角见下表1，由表可知，加固前结构最大层间位移角不满足《建筑抗震设计规范》[2]5.5.1条的规定，加固后结构最大层间位移角满足《建筑抗震设计规范》5.5.1条的规定。可见，在结构中增设剪切型阻尼器可以减小地震作用下结构的层间位移，即降低结构地震作用反应。
表1 结构加固前后最大层间位移角
地震波
类型 加固前最大
层间位移角 加固后最大
层间位移角
X Y X Y
天然波1 1/492 1/417 1/736 1/669
天然波2 1/309 1/329 1/600 1/559
天然波3 1/529 1/449 1/606 1/564
加固后时程分析结果
根据《建筑抗震设计规范》5.1.2条条文说明，进行时程分析时，在结构主方向的平均底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，不大于120%，每条地震波输入的计算结果不会小于65%，不大于135%。从表2可知基底剪力满足规范要求。根据《抗规》表5.5.1知表2的层间位移角均大于1/550，满足规范要求。
表2 结构加固基底剪力及层间位移角
反应谱 地震波1 地震波2 地震波3 三条波平均值
X向地震力（KN) 3549.89 3654.9 3515.4 3897.4 3689.23
Y向地震力（KN) 3634.93 3745.4 3590.4 3939.5 3758.43
X向与反应谱百分比（%） 100 102.96 99.03 109.79 103.93
Y向与反应谱百分比（%） 100 103.04 98.77 108.38 103.4
X向位移角 1/736 1/600 1/606
Y向位移角 1/669 1/559 1/564
附加阻尼比的计算
剪切型阻尼器是一种金属屈曲型阻尼器，属于位移型阻尼器，位移型阻尼器附加给结构的有效阻尼比可按照下式计算[3]：
式中：—消能减震结构的附加有效阻尼比
—第个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量，即滞回曲线的面积；
—设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。
单个阻尼器的耗能面积根据平行四边形法则求出，具体计算公式如下：
，=
图3 阻尼器耗能面积计算图
总应变能，其中—质点的水平地震作用标准值；—质点对应于水平地震作用标准值的位移。
表3 三条地震波的附加阻尼比计算结果
地震波 方向 阻尼器总耗能
(KN·mm) 结构总势能
（KN·mm） 附加阻尼比（%）
地震波1 X 22732.07 37335.14 4.85
Y 29604.92 38878.76 6.06
地震波2 X 53839.41 53368.36 8.03
Y 28240.49 53780.01 4.18
地震波3 X 44122.98 49400.15 7.11
Y 30782.66 51718.37 4.74
由表3知剪切型阻尼器能够提供3.5%附加阻尼比。
剪切型阻尼器耗能
地震作用时，结构楼层之间的层间位移在剪切型阻尼器中产生的剪切变形，使阻尼器产生剪切塑性变形，提供耗能，起到耗散地震输入能量，从而发挥保护主体结构的作用。图4为剪切型阻尼器滞回曲线，从图中可以看出剪切型阻尼器起到耗能作用。
图4 剪切型阻尼器滞回曲线
结论
本文針对采用剪切型阻尼器的框架结构进行加固前后动力时程弹性分析，得到如下结论：
1）结构加固前未能满足《建筑抗震设计规范》要求，增设剪切型阻尼器后能很好的满足结构抗震要求，增设剪切型阻尼器是一种有效的提高结构抗震能力的加固方法，可以有效的提高建筑结构的抗震性能。
2）在结构中增设剪切型阻尼器后，在多遇地震作用下，剪切型阻尼器发生耗能，可以大幅度提高结构整体的抗震能力。
3）对加固后结构进行动力弹性时程分析，所增设的剪切型阻尼器数量能达到所要求的附加阻尼比，使结构总阻尼比增加，从而减小结构地震反应。
参考文献：
[1]陈之毅,葛汉彬,宇佐美勉,袁勇.剪切阻尼器的滞回性能参数研究.土木工程学报,2008,Vol41(11)
[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].
[3]JGJ297-2013建筑消能减震技术规程[S].
关键词：剪切型阻尼器；动力弹性时程分析；抗震性能
中图分类号： TU352.1文献标识码： A
引言
剪切型阻尼器由耗能钢板（剪切钢板），翼缘板，加劲板及连接板组成。耗能钢板是阻尼器的核心部分，受力时消耗能量。加劲板布置于耗能钢板两侧，一侧采用横向加劲，另一侧采用竖向加劲，防止耗能钢板局部屈曲，对于加劲板而言，不仅要防止局部屈曲，还要有足够的刚度形成固定边界以延缓腹板局部屈曲的发生[1]。翼缘板主要是为阻尼器提供面外刚度，防止面外刚度过小而出现阻尼器面外较面内先屈服。连接板是阻尼器与结构的连接构件，可通过螺栓或焊接与结构构件连接。剪切型阻尼器的原理是利用剪切板平面内产生剪切变形以达到消能减震的目的，其滞回曲线稳定，疲劳性能好，变形能力强，是一类理想的耗能减震产品。
工程概况
本工程为7层钢筋混凝土框架结构，1层层高为5.7m，2~3层层高为4.2m，4~7层层高为3.6m。各层梁、板混凝土强度等级为C30，柱混凝土强度等级为C40。所有梁、柱、板纵向受力钢筋为HRB400，箍筋为HRB335。
建筑抗震设防类别乙类，结构安全等级一级，设防烈度为8度（0.2g），地震分组为第二组，场地类别II类，框架抗震等级一级，场地特征周期0.4s。本文采用Midas/Gen软件进行结构加固前和加固后动力弹性时程分析。
结合建筑平面及结构平面特点，在结构的2~4层布置支撑式剪切型阻尼器，每个楼层X、Y向各布置两组，共计12组支撑式剪切型阻尼器，X、Y向各6组。剪切型阻尼器考虑多遇地震耗能，提供附加阻尼比3.5%，结构固有阻尼比5%，结构总阻尼比为8.5%。阻尼器的布置位置如图1所示。
动力弹性时程分析
本文选取三条天然地震波，地震波的选取符合II类场地及场地特征周期0.4s的要求，地震波的时程及影响系数曲线如图2所示，地震波对应的地震影响系数曲线均与规范规定的场地的反应谱接近，说明所选地震波是符合要求的。
图1 阻尼器平面布置图
a) 地震波1 b) 地震波2
c) 地震波3d)对应的地震影响系数曲线
图2 天然地震波时程曲线及地震影响系数曲线
3.1 加固前后层间位移角对比
结构加固前后最大层间位移角见下表1，由表可知，加固前结构最大层间位移角不满足《建筑抗震设计规范》[2]5.5.1条的规定，加固后结构最大层间位移角满足《建筑抗震设计规范》5.5.1条的规定。可见，在结构中增设剪切型阻尼器可以减小地震作用下结构的层间位移，即降低结构地震作用反应。
表1 结构加固前后最大层间位移角
地震波
类型 加固前最大
层间位移角 加固后最大
层间位移角
X Y X Y
天然波1 1/492 1/417 1/736 1/669
天然波2 1/309 1/329 1/600 1/559
天然波3 1/529 1/449 1/606 1/564
加固后时程分析结果
根据《建筑抗震设计规范》5.1.2条条文说明，进行时程分析时，在结构主方向的平均底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，不大于120%，每条地震波输入的计算结果不会小于65%，不大于135%。从表2可知基底剪力满足规范要求。根据《抗规》表5.5.1知表2的层间位移角均大于1/550，满足规范要求。
表2 结构加固基底剪力及层间位移角
反应谱 地震波1 地震波2 地震波3 三条波平均值
X向地震力（KN) 3549.89 3654.9 3515.4 3897.4 3689.23
Y向地震力（KN) 3634.93 3745.4 3590.4 3939.5 3758.43
X向与反应谱百分比（%） 100 102.96 99.03 109.79 103.93
Y向与反应谱百分比（%） 100 103.04 98.77 108.38 103.4
X向位移角 1/736 1/600 1/606
Y向位移角 1/669 1/559 1/564
附加阻尼比的计算
剪切型阻尼器是一种金属屈曲型阻尼器，属于位移型阻尼器，位移型阻尼器附加给结构的有效阻尼比可按照下式计算[3]：
式中：—消能减震结构的附加有效阻尼比
—第个消能部件在结构预期层间位移下往复循环一周所消耗的能量，即滞回曲线的面积；
—设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能。
单个阻尼器的耗能面积根据平行四边形法则求出，具体计算公式如下：
，=
图3 阻尼器耗能面积计算图
总应变能，其中—质点的水平地震作用标准值；—质点对应于水平地震作用标准值的位移。
表3 三条地震波的附加阻尼比计算结果
地震波 方向 阻尼器总耗能
(KN·mm) 结构总势能
（KN·mm） 附加阻尼比（%）
地震波1 X 22732.07 37335.14 4.85
Y 29604.92 38878.76 6.06
地震波2 X 53839.41 53368.36 8.03
Y 28240.49 53780.01 4.18
地震波3 X 44122.98 49400.15 7.11
Y 30782.66 51718.37 4.74
由表3知剪切型阻尼器能够提供3.5%附加阻尼比。
剪切型阻尼器耗能
地震作用时，结构楼层之间的层间位移在剪切型阻尼器中产生的剪切变形，使阻尼器产生剪切塑性变形，提供耗能，起到耗散地震输入能量，从而发挥保护主体结构的作用。图4为剪切型阻尼器滞回曲线，从图中可以看出剪切型阻尼器起到耗能作用。
图4 剪切型阻尼器滞回曲线
结论
本文針对采用剪切型阻尼器的框架结构进行加固前后动力时程弹性分析，得到如下结论：
1）结构加固前未能满足《建筑抗震设计规范》要求，增设剪切型阻尼器后能很好的满足结构抗震要求，增设剪切型阻尼器是一种有效的提高结构抗震能力的加固方法，可以有效的提高建筑结构的抗震性能。
2）在结构中增设剪切型阻尼器后，在多遇地震作用下，剪切型阻尼器发生耗能，可以大幅度提高结构整体的抗震能力。
3）对加固后结构进行动力弹性时程分析，所增设的剪切型阻尼器数量能达到所要求的附加阻尼比，使结构总阻尼比增加，从而减小结构地震反应。
参考文献：
[1]陈之毅,葛汉彬,宇佐美勉,袁勇.剪切阻尼器的滞回性能参数研究.土木工程学报,2008,Vol41(11)
[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].
[3]JGJ297-2013建筑消能减震技术规程[S].