２０１１年６月 陕西理工学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒｌａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｊｕｎｅ．２０１１ Ｖ０１．２７ Ｎｏ．２ 第２７卷第２期 ［文章编号］１６７３—２９４４（２０１１）０２—００５１一ｏ４ 非线性ＴＭＤ对超高层结构减震效果影响分析 刘喜平 （陕西理工学院土木工程与建筑系， 陕西汉中７２３００１） ［摘要］ 当前的减震技术主要集中应用在基础隔振和消能减震体系中，有较好效果但使用 条件也受。结合橡胶支座基础隔震和调谐质量阻尼器的研究成果，提出了在超高层结构 中应用非线性“调谐质量阻尼器”的减震技术。同时利用有限元软件分析了不同地震作用下 采用了非线性“ＴＭＤ”减震技术和不采用减震技术的某高层结构的地震反应，发现了非线性 ＴＭＤ技术对超高层建筑具有明显的减震效果。该技术对超高层结构的减震具有参考价值。 ［关键词］ＴＭＤ；超高层结构；减震技术 ［中图分类号］ＴＵ９７３．３ １ ［文献标识码］Ａ 全球经济的发展带动建筑业快速发展，高层、超高层建筑数量迅速增加。近几年来我国高层建筑发 展尤为迅速。与低矮建筑相比，高层建筑质量大、刚度大，结构复杂，另外很多情况下由于功能的复杂导 致结构质量、刚度分布很不均匀，而且我国又是一个多地震的国家，面对可能出现的不同危害程度的潜 在地震的威胁，高层、超高层结构的抗震设计成为今天使用者和设计者共同关注的重点。随着抗震技术 的逐步进步，隔震体系、消能减震体系、结构被动及主动控制体系等概念都被逐渐的应用到了结构的抗 震设计中，其中隔震、消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的减震优越性，尤其受欢 迎【１】。当前的减震技术主要集中采用基础隔震和消能减震体系，其中基础隔震具有局限性，主要适用 于层数较少、体型规则的建筑结构。而消能减震体系是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件，或 在结构物的某些部位装设阻尼器。在风载或小震时，这些消能构件与阻尼器仍处于弹性状态，结构体系 仍具有足够的侧向刚度来满足正常使用要求；在强风或强震作用下，消能元件或阻尼器首先进入非弹性 状态，产生较大的阻尼，大量耗散能量，使主体结构的动力反应减小，对高层建筑、超高层建筑和高耸构 筑物的抗震和抗风有一定效果。但是装设数量少时作用不大，数量多时造价显著增加 】。鉴于基础隔 震和消能减震体系各自的特点，面对当前越来越多的超高层建筑出现，预结合橡胶支座基础隔震和调谐 质量阻尼器（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ，ＴＭＤ）的研究成果，提出一种非线性调谐质量阻尼器减震技术，针对超 高层结构在减震方面做些有价值的工作 咱Ｊ。 １ ＴＭＤ减震体系工作原理介绍 ＴＭＤ减震体系由结构和附加在结构上的子结构组成。附加的子结构具有固定的质量、刚度和阻 尼，因而可以调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率。这样，当主结构受 到地震激励而振动时，子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的 振动反应衰减并受到控制。这种减震控制不是通过提供外部能量，只是通过调整结构的频率特性来实 现的 引。 传统ＴＭＤ系统是在结构物顶部或上部某位置上加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主体结构相 连。由于技术和材料等原因，传统ＴＭＤ系统很难获得所需的阻尼。非线性ＴＭＤ减震技术是在传统 ＴＭＤ系统的基础上改进的，它利用基础隔震ｌ９ 上使用的叠层橡胶支座，用叠层橡胶支座把子结构与主 收稿日期：２０１０—１１—１６ 基金项目：陕西理工学院校级项目（ＳＬＧＫＹ１０—１７）。 作者简介：刘喜平（１９７７一），女，陕西省城固县人，陕西理工学院讲师，硕士，主要研究方向为高层抗震。 陕西理工学院学报（自然科学版） 第２７卷 结构连接，来获得传统ＴＭＤ系统很难获得的阻尼。由于该减震系统中使用的减震元件是非线性的，所 以称该种类型的减震元件为“非线性ＴＭＤ”［２ ３。 －＿－一－＿． ２基于结构分析软件的算例分析 ２．１模型介绍 一 本文的基本模型是以西安市某幢超高层建筑为背景，该建筑地上３６层，塔楼３层，地下２层，结构 总高１５８．８ ｍ。非线性ＴＭＤ减震结构是在原结构塔楼周围另外设置３层子结构。该工程所建的模型 如图１所示。在模型中，框架的梁、柱等杆件均用空间框架单元模拟；在第３６层设置了橡胶支座非线性 连接单元。 ＿：：一 ｒ＿＿＿＿一＿ 口口 日口 ａ．标准层结构平面图 ｂ．模型标准层平面图 图１结构、模型图 ｃ．非线性ＴＭＤ子结构 ２．２软件及计算参数的选取 本工程采用ＳＡＰ２０００一Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ软件。建模中梁和柱均用框架单元（Ｆｒａｍｅ）来模拟，楼板用壳单 元（Ａｒｅａ）模拟，这种壳单元不但可以计人楼板平面内的变形影响，同时可以很好的反映结构特点，是一 种细观模型。减震支座用非线性连接单元（Ｌｉｎｋ）来模拟。采用时程分析法进行地震反应分析。设防烈 度取８度（基本地震加速度为０．２０ ｇ），１１类建筑场地，场地特征周期 ＝０．４５ ｓ，设计地震分组取为第 一组 。。。 地震波选用３条：两条天然波，ＥＬ—ｅｅｎｔｒｏ波、Ｔａｆｔ波和一条人工波。３条地震波均只研究小震和中 震情况下结构的地震反应，其中天然波通过调幅加速度来达到中震和小震的效果。 模型中采用的减震支座利用汕头市和泰隔震器材有限公司提供的产品参数。其中用到的减震支座 具体为型号为ＧＺＰ６００Ｖ５Ａ的３６个，型号为ＧＺＹ６００Ｖ５Ａ的ｌ２个，全部分布在第３６层。 ２．３减震效果分析 ２．３．１部分层中柱底最大剪力比较 文章所研究的模型结构体形规则，相对扭转较少，剪力分配比较均匀。根据研究需要，选择结构的 １层、ｌ０层、２０层和３０层作为典型层，然后在各层中选不同位置的部分框架柱作为典型柱，以各典型层 各柱下端剪力的最大值作为比较对象。由图２可以看出，在不同的地震波作用下，ＴＭＤ结构比原结构 的地震反应都要小，而且减震效果明显，地震作用下降在６％一３５％。图中人工波作用下，减震效果更 好。 ２．３．２部分层中楼层水平位移比较 对于超高层建筑结构，在水平荷载作用下建筑物侧向变形成为结构设计的主要控制因素，从小震、 中震作用的各种情况来看，地震作用下ＴＭＤ结构比原结构的各层水平位移均有不同程度的减小，位移 降低率在５％一３５％不等。具体比较图见图３所示。 ・５２． 第２期 一莹ｖ 刘喜平 非线性ＴＭＤ对超高层结构减震效果影响分析 ＾量 ｖ 嗵 加２ ｌ ｌ ＾ⅢⅢｖ∞ 暑寻∞＊噬 ∞Ｏ ＾重ｖ 翠糍 ７ ６ ５ ４ ３ ２ ＂ 坞ｎ ９ ７ 帅ｌ２∞ ｛；； Ｏ 小震ＥＬ－ｃｅｎｔｒｏ波 小震Ｔａｆｔ波 ２磁 １０ ２０ ＩＯ ２Ｏ 层数 层数 中￣ＥＬ－ｃｅｎｔｒｏ波 ＾，星ｖ 钕 ＾重一 ｊ中震ＴａＩ牮堪 ｆｔ波 ＾口目一 噬 ＾ａＩⅢ ５ ４ ３ ２ 碍 ｕ ９ ７ ∞∞∞ Ｏ 的∞ 加数 层 １ １０ ２Ｏ ３０ 层数 图２柱子剪力比较 小震ＥＬ－ｃ一萤一 钕 ｅｎｔｒｏ波 ＾萤一 铄 ／ｂｇ￣Ｔａｆｔ波 —ｄ茸一楼 小震人工波 ＊嗵 ∞ ＾Ｉ３ ２ ｌ ８ ６ ４ ２ 毖 ７ ∞；２ ∞ Ｏ ｍ ｌ ｌ０ ２Ｏ ３０ ３９ 加 殿 波 层数 中震ＥＬ－ｃｅｎｔｒｏ波 中震Ｔａｆｔ波 中震人工波 ｌ０ ２０ ３０ ３９ ３９ 结构水平位移比较 ３ 小结 本文主要分析了无减震系统的原结构和设置ＴＭＤ系统的新结构在水平地震荷载作用下，其结构在 不同地震波作用下的地震反应，通过比较，可得出以下结论： （１）采用非线性ＴＭＤ减震体系后，在地震荷载作用下，结构中柱构件的剪力明显减小，体现出了显 著的减震效果。 （２）研究不同地震作用下，原结构和ＴＭＤ结构的水平层位移状况，发现在设置ＴＭＤ子系统后，结 构的水平层位移值明显降低，也体现出了较显著的减震效果。 （３）在相同水准的３种地震波对结构的作用下，通过比较，发现在人工波作用下，ＴＭＤ结构的减震 效果比天然波作用下对结构的减震效果更显著。 詈ｆ ∞加０ ｌ ０ ２数 Ｏ ｝｜的 坦 琶『 ０ 层 ｖ ｊ陕西理工学院学报（自然科学版） 第２７卷 ［ 参考文献］ ［１］方鄂华，钱稼茹，叶烈平．高层建筑结构设计［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００３． ［２］梁殿君．非线性ＴＭＤ应用于超高层建筑的减震研究［Ｄ］．西安：西安理工大学，２００６． ［３］李春祥．地震作用下高层建筑ＴＭＤ控制研究与设计［Ｊ］．上海交通大学学报，１９９９，３３（６）：７４３—７４９． ［４］李春祥，刘艳霞．地震作用下高层建筑ＴＭＤ控制优化设计［Ｊ］．同济大学学报，１９９９，２７（３）：２８７—２９１． ［５］李中锡，周锡元．规则型隔震房屋的自振特性和地震反应分析方法［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００２，２２（２）：３３— ４１． ［６］鲍华，徐礼华，周友．多层框架基础隔震体系非线性地震反应分析［Ｊ］．建筑技术开发，２００３，３０（７）：４４—４６． ［７］赵申，冯仲齐．模拟爆炸地震波及其对框架结构的影响［Ｊ］．陕西理工学院学报（自然科学版），２０１０，２６（４）：４２— ４７． ［８］龙复兴，张旭．调谐质量阻尼器系统控制结构地震反应的若干问题［Ｊ］．地震工程与工程振动，１９９６，１６（２）：８７— ９４． ［９］张玉良，汪洋，张铜生．橡胶垫隔震结构弹塑性动力分析［Ｊ］．建筑结构，２００３，３３（１）：６４—６７． ［１０］周志军，刘喜平．高震区框架结构的薄弱层变形验算［Ｊ］．陕西理工学院学报（自然科学版），２００７，２３（３）：２６—２９． ［责任编辑：李少凌］ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ＴＭＤ ＬＩＵ Ｘｉ—ｐｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｎｚｈｏｎｇ ７２３００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｎｏｗ ｄａｍｐｉｎｇ—ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｕｓｅｆｕｌ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ＴＭＤ ｄａｍｐｉｎｇ—ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ—ｉｒｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｒｕｂｂｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｕｎｅｄ ｍａｓｓ ｄａｍｐｅｒ．Ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｎｇ ｈｉｇｈ－ｉｒｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｗｉｈｔ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ＴＭＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｈｔｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ＴＭＤ ｈａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄａｍｐｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｓｕ— ｐｅｒ ｈｉｇｈ－ｉｒｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｗｉｈｔ ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ＴＭＤ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｇｒｅａｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌ— Ｈｅ ｉｎ ｈｉ ｇｈ—ｒｉｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄａｍｐｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｅｄ ｍａｓｓ ｄａｍｐｅｒ； ｓｕｐｅｒ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄａｍｐｉｎｇ・ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ・５４・
