近年来, 消能减震技术得到逐步推广, 每年都有大量的新建建筑采用消能减震设计。国内尤其是在汶川地震之后, 消能减震技术越来越被重视, 消能减震结构的应用呈现井喷的趋势^[1]。

　　 剪力墙结构作为重要的结构形式, 在进行消能减震设计时可以采用速度型消能器或位移型消能器。本文就一典型剪力墙结构的三种典型消能减震设计方案即连梁型黏滞消能器方案 (方案1) 、黏滞阻尼墙方案 (方案2) 和采用增幅机构的黏滞消能器方案 (方案3) , 进行对比分析。

　　 黏滞消能器主要有筒式黏滞消能器和黏滞阻尼墙等, 黏滞消能器本身不提供静刚度, 当不考虑其自身质量时, 增设后不影响结构的周期和振型;在正弦荷载激励作用下, 其滞回曲线呈椭圆形, 在结构最大位移时刻阻尼力为零, 在结构位移为零的时刻提供最大阻尼力^[1]。

　　 通常黏滞消能器力学模型表达式为:

　　 式中:F为阻尼力, k N;C为阻尼系数, k N· (s/m) ^α;V为消能器两端节点的相对速度, m/s;α为速度指数, 通常取0~1。

　　 筒式黏滞消能器技术成熟, 应用时间较长, 可以通过钢支撑与主体结构进行连接。在需要时亦可设置增幅机构, 提高消能减震效果。近年来出现的黏滞阻尼墙体积小、厚度薄, 可以通过短肢墙进行连接, 布置在建筑的隔墙或结构洞位置处, 可满足大部分建筑对隔墙厚度的要求^[2]。

　　 分析所用的剪力墙结构基本设计信息为:抗震设防烈度为8度 (0.2g) , 特征周期T_g=0.45s, 共28层, 结构高度为86.6m, 其中首层层高4.3m, 二层层高3.8m, 顶层层高3.5m, 标准层层高3m。平面尺寸X向为36.7m, Y向为16.75m。为了客观地对比分析不同方案的效果, 三种方案的黏滞消能器采用相同的平面布置位置、数量和参数。出于结构自身动力特性的考虑, 在结构的X向布置4台消能器, Y向布置2台, 阻尼指数α=0.3, 阻尼系数C=800k N/ (s/m) ^0.3。标准层平面和消能器平面布置如图1所示。

　　 方案1的消能器布置立面见图2 (a) , 在连梁处将连梁打断, 设置消能器单元。方案2消能器布置立面见图2 (b) , 在结构洞口处布置消能器, 通过短肢墙与连梁连接。方案3的消能器布置立面见图2 (c) , 采用钢支撑作为连接。

　　 分别考察结构在多遇地震和罕遇地震作用下的消能减震效果和结构性能, 采用ETABS软件进行多遇地震作用下的弹性时程分析, 采用SAP2000软件进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。采用非线性连接单元模拟消能器的力学行为。通过对比设置消能器模型和未设置消能器模型的结构响应, 考察消能减震效果。

　　 需要说明的是, 由于连梁型黏滞消能器方案打断了原来的连梁, 改变了结构的动力特性, 因而连梁型黏滞消能器方案的对照分析所用的未设置消能器的模型亦应将连梁打断。因此未设置消能器的模型有两个, 一个为连梁不做任何处理的模型, 为分析黏滞阻尼墙方案和采用增幅机构的黏滞消能器方案所用, 另一个为打断连梁的模型, 为分析连梁型黏滞消能器方案所用。两个未设置消能器结构的基本动力特性如表1所示, 其中原模型1指连梁不做任何处理的模型, 原模型2指打断连梁的模型。

　　 选用5条天然波 (TR1~TR5波) 和2条人工波 (RG1, RG2波) 进行分析, 地震波反应谱和规范反应谱的对比如图3所示。经计算, 底部剪力为反应谱法的87%~128%, 平均值107%, 满足《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3]的要求。

　　 多遇地震和罕遇地震作用下消能器的最大变形和最大出力结果如表2, 3所示。从表中可以看到, 小震和大震作用下, X向出力基本为方案1>方案3>方案2;Y向出力基本为方案3>方案2>方案1。由于剪力墙结构整体刚度较大, 结构层间变形较小, 因而方案2模型中的消能器变形相对较小;采用方案3可以有效放大消能器变形, 其变形较阻尼墙模型增大约20%~30%;方案1中消能器X向变形量最大, 这与剪力墙结构整体弯曲变形相关, 方案1消能器的X向变形较方案2增大约70%以上, Y向增大约30%。罕遇地震作用下典型的消能器滞回曲线如图4所示。

　　 三种方案在7条地震波作用下X, Y向基底剪力减震系数如表4所示。从表中可见, 方案3的减震效果最佳, 方案1次之, 而方案2最差, 但三种方案的基底剪力差别并不大。此处方案1的减震系数是对比原模型2的结果, 同原模型1相比减震效果将更好。

　　 三种方案在多遇、罕遇地震下7条地震波作用下层间位移角均值分别如图5, 6所示。从图5可以看到, 在多遇地震作用下, 方案1的层间位移角均值最小, 方案3次之, 方案2层间位移角均值最大。从图6可以看到, 在罕遇地震作用下, 方案1和方案3的X向层间位移角均值基本相同, 方案2层间位移角均值最大;方案3的Y向层间位移角均值最小, 方案1次之, 方案2层间位移角均值最大。

　　 三种方案在7条地震波作用下的层间位移角均值减震系数平均值如表5所示。从表中可以看出, 方案1和方案3的层间位移角均值减震系数较为接近, 均优于方案2。该表中方案1的减震系数是相对于原模型1而言, 同原模型2相比, 减震效果将更优。

　　 所选用的三种方案中, 方案1和方案3的消能器产品成本相同, 均小于方案2。而方案3的附属构件 (如连接件、钢支撑、连接墙) 成本较高, 方案2次之, 方案1最优。综合经济性对比方案1最优, 其余二者较为接近。

　　 带增幅机构的消能系统需要占据洞口的大部分面积, 因此一般宜设置在专门的结构洞中, 且此洞口不便再设置厨卫的门窗, 对结构和建筑均有一定的要求。而黏滞阻尼墙亦需要设置在结构洞中, 但由于其形状规则, 在消能构件和剪力墙的空隙处, 尚可设置厨卫的门窗, 对结构和建筑的影响相对较小。连梁黏滞阻尼器方案仅需利用原结构的连梁, 对建筑功能的影响最小;但该方案需要连梁具有一定的高度, 在连梁高度不足以放置阻尼器时无法采用该方案。并且由于连梁型黏滞阻尼器方案需要打断原连梁, 导致结构整体刚度下降, 因此, 当结构刚度不足时不宜采用。三种方案的特点如表6所示。

　　 本文通过对连梁型黏滞消能器方案、黏滞阻尼墙方案和采用增幅机构的黏滞消能器方案进行对比分析, 可以得到以下结论:

　　 (1) 通过布置合理数量的消能器, 三种消能减震设计方案均有较为明显的减震效果。

　　 (2) 对于剪力的控制, 三种方案均有较为明显的效果。其中采用增幅机构的黏滞消能器方案的减震效果最佳, 连梁型黏滞消能器方案次之, 而黏滞阻尼墙方案最差, 但三种方案的基底剪力差别并不大。

　　 (3) 对于层间位移角的控制, 三种方案均有明显的效果。其中连梁型黏滞消能器方案和采用增幅机构的黏滞消能器方案效果均较好, 而黏滞阻尼墙方案较差。

　　 (4) 整体而言, 采用增幅机构的黏滞消能器方案的成本较高, 对建筑功能影响较大, 但效果最好;黏滞阻尼墙方案的成本较高, 对建筑影响较小, 但减震效果较差;连梁型黏滞消能器方案造价最低, 效果较高, 但其设置受到连梁高度的限制, 在连梁高度等条件允许时, 建议采用连梁型黏滞消能器方案。