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专家解读合肥工业大学叶献国教授为您解读巨型框架结构及其减震结构抗震性能

发布于：2021-05-10 10:42:10 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

专家解读

为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀 合肥工业大学 叶献国教授，为您解读 巨型框架结构及其减震结构抗震性能。

巨型框架结构及其减震结构抗震性能和减震分析

研究背景

对于高层建筑，由于层数多、高度大，水平作用（风荷载和水平地震作用）在设计中往往占主导地位，所以经济有效的高层结构体系其抗侧力构件应尽可能布置在远离结构中心处以提供最大的抗侧刚度。巨型框架结构体系较为符合该理念，如图1所示，该结构体系是由作为主结构（主框架）的巨型框架和作为子结构（子框架）的常规框架组成，主结构由巨型柱和巨型梁组成，承受整体结构竖向荷载和水平作用，子结构承受着楼层内的竖向荷载及水平作用。

图1 巨型框架结构及其减振子结构示意图

研究过程

巨型框架结构虽然具有较好的抗震性能，但在中、小地震作用下，结构的位移和加速度响应都比较显著，影响结构的使用功能。为减小结构的地震响应，2011年，作者及团队提出在钢筋混凝土巨型框架结构顶部设置TMD（调谐质量减振技术），并设计制作了一几何相似比为1:25的钢筋混凝土巨型框架结构模型（图2）进行振动台试验，研究了巨型框架结构的地震损伤分布，验证了TMD对巨型框架结构的减震效果，减震效果明显。但是在实际结构中制造、安装数百甚至上千吨的附加质量块，实现难度很大，阻碍了这一技术在实际工程中的普遍应用。2018年，作者及团队提出将普通子结构转变为减振子结构，从而具有类似TMD/MTMD（多重调谐质量减振技术）的减振控制特征，并设计制作了一几何相似比为1:25的含减振子结构的巨型框架结构模型（图3）进行振动台试验，研究了该结构的减震效果。

图2 含TMD的巨型框架结构示意图

图3 含减振子结构的巨型框架结构示意图

试验结果

3.1 钢筋混凝土巨型框架结构损伤分布

输入峰值加速度为1.2 g （振动台限值）的地震动作用后，观察振动台试验结束后的钢筋混凝土巨型框架结构模型可以看出：主框架柱根部出现了一条明显的水平裂缝，且铁丝外漏（图4a），在11、22、33、44层巨型桁架层，平行于加载方向的巨型桁架人字撑端部与混凝土连接部位及桁架与角筒连接部位均出现不同程度的破坏，主框架柱上出现了多条水平裂缝，在巨型桁架层附近的水平裂缝较大（图4b）；在15、37层子框架梁与主框架柱连接处出现明显的裂缝；子框架1、23、24、26、29、31、42、53层的部分框架柱出现断裂（图4c），各子框架层内的柱端都出现大量的塑性铰，梁端几乎没有出现塑性铰，只有极少数的梁产生破坏（图4d），这主要是由于模型在制作时楼板厚度为8 mm（相当于原型200 mm）。

图4 钢筋混凝土巨型框架结构最终破坏状态

3.2 TMD系统减震效果分析

3.2.1 加速度响应

由图5可知，结构的加速度响应的峰值并没有减小，但在整个时程曲线上，有TMD和无TMD结构的加速度响应峰值出现的时间不同，且有TMD结构的峰值出现次数较多。

图5 加速度响应（0.40 g El Centro波作用下）

3.2.2 位移响应

图6~8为位移响应对比，可以看出：有TMD结构的主框架44、55层在峰值加速度为0.14 g 、0.40 g 和0.88 g 的El Centro波作用下，其层位移分别减少了22%和13%、71%和68%及37%和31%。由此可知0.40 g 作用时，减震效果最好，这主要是由于峰值加速度较大时，TMD的效果才能充分发挥，在0.88 g 时，结构损伤较大，结构的基本周期增大较明显，已经偏离TMD的自振周期，减震效果有所下降。

图6 位移响应（0.14 g El Centro波作用下）

图7 位移响应（0.40 g El Centro波作用下）

图8 位移响应（0.88 g El Centro波作用下）

3.3 含减振子结构的巨型框架结构减震效果分析

3.3.1 加速度响应

将普通巨型框架结构和含减振子结构的巨型框架结构分别称为非减振结构和单减振结构，7度罕遇地震作用下，结构各主框架加速度反应均值如表1所示，其中 $\bar{\alpha }_{\textrm{5,max}}$ 和 $\bar{A}_{\textrm{5,max}}$ 分别为非减振结构和单减振结构的加速度， η _a 和 η _A 为非减振结构和单减振结构的加速度放大系数， β _R-A 为峰值加速度减震系数， R _R-A 为加速度均方根减震系数。可以看出：非减振结构各层的峰值加速度介于11.89 ~16.00 m/s ² 之间，平均值为13.68 m/s ² ；单减振结构各层的峰值加速度介于10.14 ~13.69 m/s ² 之间，平均值为11.77 m/s ² 。由于采用 R _R-A 可以反映结构在地震动作用下加速度差异的平均值，因此采用 R _R-A 评价结构的减震效果比 β _R-A 更加显著。

表1 主框架加速度反应均值

3.3.2 位移响应

结构各主框架位移反应如图9和表2所示，其中 $\bar{d}_{\textrm{max}}$ 和 $\bar{D}_{\textrm{max}}$ 分别为非减振结构和单减振结构的最大层位移， β _R-D 为峰值位移减震系数， R _R-D 为位移均方根减震系数。可以看出：单减振结构各层的最大层位移均小于非减振结构，各层的 β _R-D 介于11.8%~14.4%， R _R-D 介于16.7%~22.2%，因此采用 R _R-D 评价结构的减震效果比 β _R-D 更加显著。