不同抗震机制框架结构抗震性能对比研究

杜定发

传统抗震结构、消能减震结构和隔震结构是常见的三种采用不同抗震机制的建筑结构[1]。在地震动作用下，三种不同抗震机制的建筑结构，分别通过“抗”、“消”和“隔”的形式，抵抗地震动作用，消减和隔断地震动能量输入，以使建筑结构达到抗震的目的。

采用不同抗震机制的建筑结构，其抗震性能也明显不同，本文将分别对三种不同抗震机制框架结构的抗震性能加以定量分析，并对其进行对比研究。

1.结构计算模型

对同一框架结构而言，采用不同抗震机制后，其抗震效果将有明显不同，鉴于此，本文对一简易框架结构做三种不同抗震设置，如图1 所示，以分析和对比三者之间的抗震性能。

图1 结构计算模型

本文分析中采用单自由度动力时程分析系统软件，即NONLIN 软件。在该软件的结构模型中，框架结构、阻尼器和隔震支座可以设置为非线性的力—变形关系，与此同时，结构模型中的支撑是线性的，减振装置阻尼可以是线性或非线性的，此外，可在计算时考虑P-△效应。

2.计算参数分析

NONLIN 软件中，结构模型的刚度矩阵包含5 个部分，如公式（1）所示。

结构模型质量假定为集成的，质量矩阵为：

结构模型阻尼矩阵组成如下：

在分析和计算中，分别对三种不同的结构模型输入相应的参数，同时对三种不同结构模型之间的相同装置，输入相同的参数，如表1 所示。

表1 结构模型参数

在分析和计算中，为使分析结果更加科学和有效，本文选取EL CENTRO 地震波，作为三种不同抗震机制框架结构模型的地震动输入[2]。

3.基于位移、速度和加速度时程分析的结构抗震性能分析

在地震动作用下，建筑结构的损伤可采用位移、速度和加速度等响应值加以定量分析[3]。因而，本文利用数值分析软件，以位移、速度和加速度为对象，进行三种不同抗震机制结构模型受地震动作用时的时程分析和对比，从而评价三种结构模型在同一地震动作用下的结构响应差异。

在分析过程中，本文利用NONLIN软件分别计算并绘制了三种结构模型顶部位移时程曲线、速度时程曲线和加速度时程曲线，以顶部位移时程曲线为例，绘制如图2 所示。

由图2 可得各结构模型顶部位移正负向值，如表2 所示。由表2 可知，简易框架顶部的位移最大，加支撑及阻尼器框架的位移最小。

图2 简易框架顶部位移时程曲线

表3 表示各结构模型顶部速度正负向值。由表3 可知，加支撑及阻尼器框架顶部的速度最大，简易框架的速度最小。

表4 表示各结构模型顶部加速度正负向值。由表4 可知，隔震框架顶部的加速度最大，简易框架的加速度最小。

由表2、表3 及表4 可知，简易框架顶部位移最大，但速度和加速度最小；加支撑及阻尼器框架顶部的速度最大，但位移最小；隔震框架顶部的加速度最大。因而，以单个响应值来分析和评价上述结构的抗震性能，其结果是有较大差异的，即在地震动作用下，以某一个响应值全面评价某种抗震机制框架结构的抗震性能，具有一定的困难。

表2 各结构模型顶部位移正负向值

表3 各结构模型顶部速度正负向值

表4 各结构形式顶部加速度正负向值

4.基于能量平衡方法的结构抗震性能分析

考虑到单个响应值在抗震性能全面评估中的局限性，日本著名学者秋山宏提出了一种基于能量平衡的建筑结构地震响应预测方法，该方法重点分析地震动对建筑结构的能量输入及分配等问题，相应方法可用以下公式予以表示[4]：

式中：sWe—弹性振动能；sWp—累积塑性变形能；sWd—框架结构耗能；DWe—隔震结构弹性振动能；DWp—阻尼累积塑性变形能；DWd—阻尼耗能。

经分析，各结构模型的恢复力和阻尼力的荷载-变形关系曲线如图3、图4及图5 所示。

由图3、图4 及图5 可知，sWd隔

图3 简易框架结构恢复力和阻尼力的荷载-变形关系曲线

图4 加支撑及阻尼器框架结构恢复力和阻尼力的荷载-变形关系曲线

图5 隔震框架结构恢复力和阻尼力的荷载-变形关系曲线

此外，公式（4）中“sWp”可表示建筑结构在地震动作用下所受到的损伤，因而可以进一步得出以下结论：以本文三种不同抗震机制的结构模型及其相关参数为例，在同一地震动作用下，简易框架结构损伤最大，隔震框架结构损伤最小。综上所述，基于能量平衡方法的结构抗震性能分析发现，在综合抗震性能方面，隔震框架结构的表现最好，加支撑及阻尼器框架结构次之，简易框架结构最差。

5.结论

本文应用数值分析软件，分别对采用三种不同抗震机制结构模型的抗震性能进行了相关分析及对比研究，得出以下结论：

（1）在地震动作用下，位移、速度、加速度等单个响应值在抗震性能全面评估中，具有较大的局限性，即选择不同响应值进行分析和评估时，对建筑结构抗震性能的评价结论有较大差异；

（2）以本文三种不同抗震机制结构模型及其相关参数为例，从能量平衡的角度分析发现，在综合抗震性能方面，隔震框架结构的表现最好，加支撑及阻尼器框架结构次之，而简易框架结构相对较差。

鉴于抗震结构模型设置以及相关构件参数的多样性，后续可进一步研究：根据不同建筑结构特点和工程实际，通过改变传统抗震、消能减震和隔震三种结构的相关抗震设置，分析三者之间的抗震性能差异；同时，对同一抗震机制结构模型，改变其构件的相关参数（如阻尼器的参数等），定量分析其抗震性能变化。