高层剪力墙结构消能连梁设计案例分析及几个问题的讨论

本文选取两栋高层剪力墙结构住宅工程案例,采用ETABS软件分析并讨论了高层剪力墙结构中安装位移型钢滞变阻尼器连梁进行消能减震设计的几个关键问题。以阻尼器刚度、设计极限位移、附加阻尼比等参数为基本参量,以层间位移角和层间剪力为减震效果优劣评价指标,对比研究了阻尼器空间布设位置和数量变化对结构地震反应的影响规律。验证了阻尼器刚度参数变化影响结构主振周期变化,进一步影响层间剪力减震效果;阻尼器设计极限位移参数变化引起结构整体耗能能力变化,即阻尼器的设置增加了结构附加阻尼比尤其是大震附加阻尼比,使结构大震作用下的层间位移反应得到有效控制。给出了如下设计建议:当在高层剪力墙结构中采用消能连梁进行消能减震设计时,应尽可能将阻尼器布置在受力较大的连梁位置处,并使阻尼器的设计屈服位移和极限位移分别与结构设计弹性层间位移和弹塑性层间位移相匹配。在设计过程中应通过调整阻尼器刚度尽可能延长消能减震结构的基本振动周期,优化阻尼器布设位置和数量,最大限度地增大阻尼器对结构的附加阻尼比贡献,达到显著降低结构地震反应的目的。     

设置金属阻尼器的预制装配式剪力墙结构抗震性能分析

预制装配式结构是未来建筑结构发展趋势,但是其整体抗震性能是装配式结构的薄弱环节。因此,将作者提出的剪切型软钢阻尼器设置于实际预制装配式钢筋混凝土高层剪力墙结构的连梁中部,以此提高整体结构抗震性能。该文基于ABAQUS有限元软件平台,提出一种可以有效模拟该软钢阻尼器剪切性能的连接单元,将其应用于该装配整体式剪力墙结构中,进行有限元建模和弹塑性时程分析,通过对比减震前后结构的相关地震反应,分析结构在罕遇地震作用下的减震效果。分析结果表明,设置阻尼器的减震结构,损伤连梁的数量明显减少,连梁阻尼器具有良好的耗能性能,层间位移角、结构损伤、基底反力均有所有减小。因此,采用这种软钢阻尼器可以提高装配整体式剪力墙结构的整体抗震性能。     

安装形状记忆合金阻尼器的剪力墙结构抗震性能分析

为减轻钢筋混凝土剪力墙连梁的地震后永久性损伤,同时保持连梁的耗能机制,本文提出在剪力墙连梁中安装新型形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)阻尼器,并研究该阻尼器对剪力墙结构地震响应的减震效果。通过一幢12层剪力墙结构地震反应的时程分析,研究了SMA阻尼器的附加刚度比和屈服位移比两项特征参数对结构地震反应控制效果的影响规律。计算分析结果表明,当附加刚度比为0.04～0.05,屈服位移比为0.4～0.5时,可以获得较好的减震效果。     

钢筋混凝土剪力墙结构连梁阻尼器性能参数优化方法研究

钢筋混凝土剪力墙结构作为常见的结构形式在我国城镇中所占数量愈来愈多。安装连梁阻尼器是实现剪力墙结构消能减震、提高剪力墙结构抗震能力常用手段之一,而连梁阻尼器的性能参数直接决定着结构消能减振效果的优劣,因此如何选择合适的阻尼器类型以及如何确定阻尼器的性能参数是一项重要的课题。本文首先对比选出了可用于钢筋混凝土剪力墙结构连梁上的阻尼器类型,然后针对阻尼器物理参数的和地震动输入的选取设置441中工况采用ABAQUS对典型的钢筋混凝土剪力墙结构进行时程分析,并根据时程分析结果对阻尼器的性能参数进行优化,最后给出了合适的阻尼器性能参数。本文相关工作可为钢筋混凝土剪力墙结构消能减振设计提供技术支持和参考。     

基于楼层剪力的等效阻尼比计算方法研究

针对现有附加有效阻尼比计算方法存在的问题,本文从能量的角度揭示了阻尼比对结构影响的机理。从结构设计的角度,提出一种在时程分析下基于楼层剪力的消能减震结构等效阻尼比计算方法。对布置黏滞阻尼器和软钢阻尼器的消能减震模型,采用本文提出的等效阻尼比计算方法,建立等效结构进行结构响应对比。结果表明,由该计算方法得到的等效阻尼比能够准确地评估阻尼器在结构中的耗能效果,建立的等效结构能够准确反映消能减震结构实际情况。基于楼层剪力的等效阻尼比计算方法通过等效结构楼层剪力大于或等于消能减震结构楼层剪力判断迭代完成,该方法计算过程不涉及阻尼器参数及结构形式,适用于所有阻尼器类型与结构类型。计算得到的等效结构进行设计能够确保结构设计的安全。     

粘滞阻尼耗能连梁的超高层结构减震性能研究

连梁作为剪力墙结构中的抗震第一道防线,其承载力和耗能能力对整体结构的抗震性能有重要影响。本文提出在连梁中附设粘滞阻尼器,利用阻尼器发生竖向剪切变形而耗能。结合实际工程研究粘滞阻尼耗能连梁的性能,采用ETABS和PERFORM-3D软件对粘滞阻尼耗能连梁结构与传统连梁结构进行有限元模拟对比分析,并对粘滞阻尼耗能连梁的各项最优参数进行研究。结果表明:粘滞阻尼耗能连梁充分发挥耗能作用,整体结构具有良好的抗震性能,与传统连梁结构相比,主体结构的弹性耗能得到明显降低。平面布置方式、竖向布置方式、阻尼器参数的选取对附设粘滞阻尼耗能连梁的框架-核心筒结构减震效果影响较大,合理选择这些参数可以使耗能结构减震效果最优。     

非线性粘滞阻尼器消能结构设计方法探讨

在建立非线形粘滞阻尼器消能结构性能曲线的基础上，建议了依据减震性能目标确定阻尼器参数的概略设计方法。提出了多自由度非线性粘滞阻尼器消能结构的等效阻尼比计算公式。在此基础上建议了适用于多自由度非线性粘滞阻尼器消能结构地震反应预测的模态叠加法，方法与时程分析结果对比吻合良好。为使各层阻尼器参数更好地满足减震性能要求，提出了将概略设计得到的层阻尼器参数依据减振性能目标进行调整的方法。     

铰支墙-框架新型结构体系的损伤控制研究

震后可恢复性(Earthquake Resilience)已经成为了建筑结构体系的重要评价标准之一。作为高层建筑结构中最主要的抗侧力构件,钢筋混凝土剪力墙在近几次大地震中暴露出了震后可恢复性方面的缺陷。主要表现为连梁损伤严重、难以修复;剪力墙底部钢筋屈曲、混凝土压溃、剪切破坏明显,同样难以修复。针对上述两点问题,本文分别研究了剪切型金属阻尼器连梁和塑性铰支墙两种构件,建立两类构件的设计方法和简化数值模型。在此基础上运用连续化方法对铰支墙-框架结构体系中塑性铰支墙和消能连梁的强度和刚度需求进行了讨论。本文的主要研究内容如下:(1)对国内多组普通RC连梁和剪力墙构件试验的结果进行了统计分析,其结果显示了两类RC构件的变形能力与设计参数之间的关联存在较明显的离散性。(2)提出了带缝钢板阻尼器及跨中布置该阻尼器的剪切型消能连梁。本文进行了大剪跨比(r=3.0)的普通RC连梁和剪切型消能连梁的对比试验研究,结果显示,普通RC连梁和消能连梁试件的实测峰值荷载和名义屈服剪力值相差在4%以内。消能连梁阻尼器可以更早地进入屈服耗能状态,避免连梁混凝土部分遭受严重损伤。消能连梁变形的80%以上集中在阻尼器内,充分发挥了位移相关型阻尼器的耗能能力。阻尼器连接构造存在滑移,一定程度上影响了阻尼器性能的发挥。最后,建立了消能连梁的简化数值模型并验证了其适用性。(3)针对剪力墙底部墙肢复杂的弯剪耦合作用机制,提出了抗弯/抗剪功能分离的塑性铰支墙并建立了相应的承载力和刚度设计公式。塑性铰支墙与普通RC剪力墙的对比试验证明,本文提出的设计方法可以更准确地获得塑性铰支墙不同性能目标下的力学性能;塑性铰支墙具有更强的变形和耗能能力;塑性铰支墙的总变形中,弯曲变形占有绝对比重,避免了铰支墙发生剪切型破坏,保证了"强剪弱弯"的性能,从而避免了底部墙肢的不可修复损伤。(4)对塑性铰支墙的主要设计参数进行了研究,给出了相关建议。建立塑性铰支墙的简化数值模型。其中,采用在纤维模型的截面附加剪切恢复力本构来模拟RC剪力墙的方法,以及采用零长单元模拟阻尼器连接段非线性行为的方法均根据试验结果进行了准确性验证。在此基础上研究了塑性铰支墙几何参数(墙肢宽高比r、铰支座高度比μ)、轴压比ν、阻尼器核心段初始刚度K_(ed)对墙肢力学性能的影响,参数分析的结果显示,阻尼器性能的发挥主要受几何参数的影响,建议将塑性铰支墙布置在结构底部加强层范围内,高宽比r≤1.0,同时,铰支座的布置高度不宜超过铰支墙高度的60%。在满足阻尼器极限变形要求的前提下,通过选择更大的高度比μ和初始轴向刚度K_(ed)更大的阻尼器,可以使塑性铰支墙获得更高的承载力和刚度。(5)采用连续化设计,对铰支墙结构和铰支墙-框架结构在3种常见类型的水平荷载作用下的效应进行分析。结果表明,连续化设计方法可以得到铰支墙结构的结构响应,内力和变形计算公式中均显出铰支墙所在层的性能对结构响应的影响比较明显。     

某耗能减震框肢剪力墙转换结构分析

采用复合型铅粘弹性阻尼器对带转换层框肢剪力墙结构的某酒店进行了耗能减震设计,对耗能减震结构和钢支撑结构进行了对比分析,包括反应谱和局部非线性多遇地震作用和罕遇地震作用下的时程分析。结果表明,底部框架结构布置复合型铅粘弹性阻尼器后,在多遇和罕遇地震情况下层间位移能满足《建筑抗震设计规范》要求,并且采用耗能减震结构能优化整体结构,不会对转换层上部结构产生不利的影响,能更好地改善结构的抗震性能。     

轴向布置金属阻尼器力学性能研究

基于当前金属屈服消能器的应用特点和使用限制,提出一种轴向布置的金属阻尼器,其主要构造特征为耗能钢板直接与连接钢支撑组合,使得支撑与阻尼器组合为单一减震构件,解决了金属阻尼器需要斜撑对称布置的技术问题。推导了轴向布置金属阻尼器的屈服承载力、刚度计算公式;进行了构件的低周往复荷载试验,得到了轴向布置金属阻尼器的滞回曲线和骨架曲线,试验结果验证了有限元分析结果的准确性。同时,试验结果表明:轴向布置的金属阻尼器具有良好的延性和稳定的滞回性能。采用ABAQUS有限元软件对12组不同参数的轴向布置金属阻尼器进行数值模拟,研究了耗能板的不同布置方式、数量、耗能形式对阻尼器力学性能的影响,结果表明,耗能板宽厚比是轴向布置金属阻尼器滞回性能的最主要影响因素。     

基于性能的黏弹性阻尼器减震结构抗震设计

根据黏弹性阻尼器的特点和抗震规范的要求,分别提出了用于黏弹性阻尼器减震结构抗震分析的弹性及弹塑性需求谱,前者是基于黏弹性阻尼器减震结构等效阻尼比的简化计算公式及规范规定的反应谱;后者是基于修正的V id icRμ-μ-T关系。在此基础上,借助模态推覆分析,提出了可以考虑高阶振型影响的黏弹性阻尼器消能减震结构体系的能力谱分析方法,并对一8层钢筋混凝土消能减震框架结构进行了"中震不坏,大震可修"性能水准下的抗震分析。算例结果表明,采用该方法分析黏弹性阻尼器减震结构体系是可行的、有效的。     

采用消能连梁的高层结构整体分析与试验研究

消能连梁采用阻尼器耗能,保护混凝土主体结构,是近年来发展出来的一种有效的高层结构消能减震体系。本文针对带消能连梁的框架剪力墙结构体系进行整体有限元分析,研究了具有不同层数的框架剪力墙结构地震响应,分析消能连梁的能量耗散情况和对整体结构动力响应的控制效果,研究表明消能连梁能够分别降低首层墙肢和框架的能量耗散的65.5%和39.0%,同时可降低结构35.4%~42.0%的层间位移角和41.0%~44.4%的基底剪力。随后对某一18层高层建筑进行了子结构混合试验研究,试验体底部为6层联肢墙,采用1/3缩尺,其余结构分为上部剪力墙数值子结构和框架数值子结构,分别采用ABAQUS软件进行分析,三者协同工作,共同完成大震响应模拟。子结构混合试验结果表明,消能连梁可有效降低结构的整体响应,层间位移角降低16%、基底剪力降低21%。同时可控制连梁损伤,提高结构耗能能力。     

基于耗能连梁钢板阻尼器的高层结构耗能减振分析及应用

为改善传统连梁钢板阻尼器的适用性,提出了一种新型耗能连梁钢板阻尼器的设计方法,通过对阻尼器工作区域的划分与设计,使新型阻尼器充分发挥耗能作用,有效地提高了结构整体耗能能力。基于有限元软件ABAQUS模拟低周反复荷载作用下墙肢与阻尼器的应力应变状态,以验证所提出的新型阻尼器的设计方法及端部嵌固区的可靠性,并通过对原结构和实施耗能连梁钢板阻尼器结构进行弹塑性时程分析,探讨其改进后的抗震性能。研究结果表明,新型嵌固区构造不仅能够保证阻尼器与墙肢协同工作良好,还能大大降低施工难度;通过实施该阻尼器,可形成耗能连梁及抗震多道防线,在连梁钢筋混凝土部分损伤较为严重的情况下,仍能保证连梁具有一定的延性和耗能能力。     

组合连梁RC框剪结构地震损伤控制研究

框架-剪力墙结构作为多层及高层结构普遍采用的建筑结构形式之一,是抗震设计与加固的重点与热点。组合连梁技术为降低墙肢损伤,震后快速恢复结构功能,降低社会灾后重建的成本提供了新的思路。但目前对组合连梁框架-剪力墙结构体系的研究仍不充分,组合连梁对于整体结构的控制效果仍有待确认。本文通过子结构试验与数值分析的方法,系统地研究了组合连梁的力学性能,给出了合理的组合连梁设计参数,并提出了基于连续化方法的带组合连梁的剪力墙结构的抗震分析方法。本文的主要工作及成果如下:(1)带缝钢板阻尼器力学性能试验研究。通过带缝钢板阻尼器低周拟静力循环加载试验研究,研究了开缝宽度和工艺、连接构造措施、弯曲单元跨高比等关键因素对带缝钢板阻尼器力学性能的影响,同时研究了带缝钢板阻尼器的延性、超强系数及低周疲劳性能。并通过精细化有限元分析对缝宽为2mm的阻尼器试验进行了模拟,讨论了损伤模型及损伤参数的取值,并为试验结果补充了分析参数。通过Bouc-Wen宏观模型,对缝宽为6mm的阻尼器试验进行了模拟,通过回归分析,建立了Bouc-Wen形状控制参数与阻尼器力学性能控制参数之间的关系。(2)传统连梁与带缝钢板阻尼器组合连梁对比试验研究。通过一组传统连梁与组合连梁的对比试验研究,验证了组合连梁在连梁和墙肢的损伤控制、相同位移角下的耗能能力,变形能力等方面的优势,同时研究了超强系数对组合连梁的影响。(3)大比例传统剪力墙和组合连梁剪力墙子结构试验研究。根据某18层原型结构,制作了1/3缩比的6层传统连梁剪力墙和组合连梁剪力墙试验体,进行了子结构拟动力试验及低周拟静力循环加载试验研究,研究了组合连梁剪力墙结构的力学性能及损伤破坏模式,证明了组合连梁墙片在结构层间位移角、地震力输入方面的控制效果,同时测量了组合连梁的变形需求。(4)组合连梁框剪结构参数分析。在验证模型正确的基础上,应用有限元软件Marc对消能墙片进行了参数分析,研究了在10层、20层、30层3种不同高度下,组合连梁的跨高比、刚度参数及强度参数对于整体框架-剪力墙结构的地震响应的控制作用,分析了结构的层间位移角、楼层剪力分布、结构沿楼层的耗能分布等结构响应随参数的变化关系,并给出了组合连梁设计参数的合理范围。(5)基于等效弹性连续化方法的组合连梁剪力墙结构的抗震分析方法。基于传统双肢剪力墙的连续化方法,考虑了组合连梁以及墙肢的塑性能力,通过计算组合连梁剪力墙的周期与振型、组合连梁的附加阻尼比,并结合MPA方法,提出了基于等效弹性连续化方法的组合连梁剪力墙抗震分析方法,为阻尼器参数及优化分析奠定了基础。     

双肢剪力墙连梁截断式剪切型金属阻尼器抗震设计与分析

联肢剪力墙结构中连梁因跨高比偏小且受力复杂,在地震中常遭遇不同程度的损伤,为降低其损伤程度且便于震后快速修复,本文提出一种新型的连梁截断式剪切型金属阻尼器及具体的设计要求,应用工程力学理论推导阻尼器双线性模型的参数设计方法,然后程序化设计流程以便于工程应用,最后采用壳单元和纤维模型分别建模分析多层双肢剪力墙拟静力试验,对比安装阻尼器前后结构初始刚度、失效模式及耗能性能的变化。研究结果表明,本文提出的阻尼器及其设计方法可靠合理,在安装阻尼器后结构抗震性能得到明显提高;当结构抗侧刚度与极限承载力削弱在10%以内时,其延性增强程度及破坏模式改善的效果显著;针对连梁先于墙肢屈服的结构,阻尼器耗能占结构总耗能的比例与附加阻尼比均有较大提高,达到了预期的设计目标。     

某高层框架剪力墙结构减震性能分析

为了研究剪切型铅阻尼器在高层建筑结构中的耗能减震效果,以高烈度地区某设置剪切型铅阻尼器的框架-剪力墙结构为工程背景,首先通过Sap2000分析了结构的动力特性,在此基础上对结构进行了消能减震设计。其次采用非线性分析软件ABAQUS对结构进行了罕遇地震作用下的有限元分析,对比了不同地震波作用下的结构弹塑性分析结果。分析结果表明:设置剪切型铅阻尼器的高层建筑结构的抗震性能较好,为剪切型铅阻尼器在高层框架-剪力墙结构中的应用提供了成功的工程案例,其设计思路可以为高层结构的减震提供有益的借鉴和参考。     

基于位移和剪力降低率的减震设计方法研究

附设黏滞阻尼器后的消能减震结构总阻尼比增加,结构各层位移和剪力明显降低。文中以位移降低率和剪力降低率为减震目标,推导附设黏滞阻尼器消能减震结构单自由度体系位移降低率和剪力降低率的计算公式,绘制减震目标与附加阻尼比的关系曲线,研究附设黏滞阻尼器减震结构中减震目标与附加阻尼比的合理匹配问题,提出基于位移和剪力降低率的黏滞阻尼器减震结构设计方法,并通过实际工程算例验证该设计方法在以一阶振型为主的多自由度框架结构体系中应用的可行性。该设计方法简单明确、操作方便,能够快速进行消能减震结构设计,为黏滞阻尼器在框架结构中的广泛应用提供理论指导。     

不同目标函数下的金属阻尼器优化布置研究

针对不同目标函数下的金属阻尼器优化布置,在框架结构中分别以层间位移角和层间位移为目标函数,采用逐层布置法和位置参数法两种优化方法进行消能减震分析,对比不同目标函数下的金属阻尼器消能减震效果。结果表明:在相同阻尼器数量下,两种优化方法的减震效果相差不大,结构中的金属阻尼器的滞回曲线比较饱满,消能减震效果较好。     

考虑SSI效应的设圈梁构造柱农村民居振动台试验研究

将参数化建模的方法引入减震结构的分析与设计中,通过预设目标和迭代优化计算,以天水市某高层住宅消能减震结构为例,寻找最优的阻尼器布置方案。为评估和验证该消能减震结构的抗震性能,分别采用Perform 3D和ETABS等软件分析结构在多遇和罕遇地震作用下的结构响应,分析结果表明：小震作用下,消能减震结构的楼层位移、层间位移角、楼层弯矩及楼层剪力均减小6.5%以上,达到了设计要求;大震作用下,结构框架柱、框架梁、剪力墙和阻尼器能够满足既定的性能要求,层间位移角满足规范限值,能够达到“大震不倒”的设计目标,研究结果为实际工程预设减震目标和阻尼器优化布置提供参考。     

黏滞阻尼器在煤矿井塔结构抗震加固中的应用

临涣煤矿是淮北矿业集团的主要大型煤矿,于1985年投产,设计年产煤180万吨。该矿主井提升系统塔高64.5m(8层),外剪力墙内框架矩形钢筋混凝土结构。本文采用SAP2000有限元软件,通过选用不同的阻尼器以及支撑布置方式,比较了结构安装黏滞阻尼器后与原结构在地震作用下的动力响应,以及不同的布置方式下阻尼器的耗能减震效果,可为结构在未来的抗震加固中提供一种优选方案和参考。