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摘要：针对钢-混凝土组合结构动力响应计算，工程中一般根据规范来确定结构阻尼比，由此易导致结构动力响应计算结果与实际情况相差较大，不利于结构安全评估的问题。本文首先以天津某超高层组合结构中钢管混凝土柱为算例进行分析，使用ADINA与MSC.NASTRAN软件分别建立该结构的有限元模型，根据计算出的结构阻尼比以及自振特性，确定钢管混凝土柱的等效阻尼比。针对不同阻尼比情况下，后文计算反应谱中地震影响系数、风振等效风荷载，对地震影响系数随结构自振周期的分布和风荷载沿高度的分布进行详细的比较。计算结果表明，在对钢管混凝土柱进行动态响应计算时，应对其阻尼比进行科学取值，以免给结构安全评估带来不利影响。
关键词：钢管混凝土柱；等效阻尼比；有限元分析；地震影响系数；风振等效风荷载
0 引言
基于钢管混凝土柱承载力高、良好的塑性和韧性以及经济效果好等特点，现如今钢管混凝土柱在钢-混凝土组合结构的运用越来越广泛，已逐步成为土木工程师经常采用的结构类型之一。阻尼比是影响结构抗震分析最重要的参数之一。阻尼值较小的差异可能引起计算的结构响应分析结果成倍的，甚至是十几倍的变化幅度[1]，对于组合结构阻尼比的取值方面的研究较少，在进行结构抗震设计中，所取的结构阻尼比按规范取值居多。因此开展钢管混凝土柱等效阻尼比分析研究具有重要的理论和实际意义。
1 钢管混凝土等效阻尼比确定的算例验证
1.1 模型的建立
通过简化的天津某超高层组合结构中钢管混凝土柱结构模型[2]计算结果来验证等效阻尼比计算的准确性，计算参数如表1所示。钢管单元和混凝土单元均采用8节点的三维实体单元。
由图1可看出，第1、2阶的振型分别以平动的X、Y向为主，从第3阶开始以扭转为主，再由表2可看出，两种有限元分析软件计算出来阻尼比最大相差不到5%，即证明ADINA与MSC.NASTRAN软件计算钢管混凝土柱阻尼比的一致准确性。一方面相对比其它阶振型，第一、二阶振型的自由振动圆频率最小，也就是低阶振型，由结构动力学知识[3]可知，对于大多数荷载类型，通常低阶振型的位移贡献最大，而高阶模态能量占比太低，高阶振型的贡献趋于减小，故在这取第一阶振型的阻尼比为结构阻尼比，取为0.029，由此可看出实际取值与规范取值的出入是较大的。
2 结构不同阻尼比在反应谱中的比较
在1.3节中可得出结论，并不是所有钢管混凝土在抗震设计中阻尼比都可按照规范取为0.035，本节中将讨论结构不同阻尼比在《建筑抗震设计规范》GB 50011- 2010（以下简称《抗震规范》）[4]反应谱中的比较。取文献[5]中组合结构进行动态响应计算时的阻尼比0.025，将其与规范取值0.035两者进行比较。
2.1 反应谱中地震影响系数的比较
《抗震规范》中5.1.4条规定，建筑结构的地震影响系数应根据烈度、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。结构阻尼比分别取0.025和0.035时地震影响系数曲线对比如图2所示。当自振周期大于0.1而小于场地的特征周期时，阻尼比取0.035时地震影响系数比取0.025时小8.83%，而对于自振周期大于而小于的情况，可以由表3看出。
从图4曲线可以得出，结构的阻尼比对横风向风荷载有较大的影响，结构阻尼比越小，横风向风振等效风荷载值越大。在超高层组合结构中，随着建筑高度的增加，当所取阻尼比为0.025时，其横风向风振等效风荷载远大于所取阻尼比为0.035时的风荷载值；从表5数值也可知随结构高度的增加，二者的差值也逐渐增大，到了300米高度处，两者相差13.5%。
4 小结
本文针对结构阻尼比取值0.025和0.035的两种情况，针对不同阻尼比情况下，对地震影响系数随结构自振周期的分布和风荷载沿高度的分布进行了详细的比较。现总结如下：
（1）当对结构进行水平地震作用计算时，阻尼比若按照规范取为混凝土阻尼比与钢结构阻尼比的平均值，将比实际等效阻尼比偏大，使得结构的水平地震作用偏小，其中水平地震影响系数的误差最大时可达8.83%，场地设计谱比的误差最大可达11.1%，
从而影响结构的安全性；
（2）随着建筑高度的增加，当所取阻尼比为0.025时，其横风向风振等效风荷载远大于所取阻尼比为0.035时的横风向风振等效风荷载；到了一定高度处，两者相差可达13.5%。因此所计算出来的横风向风振等效风荷载标准值与实际情况出入会越大，也将不利于结构安全性能评估；
（3）阻尼比计算结果反映了结构的自振特性。在对组合结构进行抗侧力分析时，应对阻尼比科学取值，不能一概而论地直接取为钢和混凝土阻尼比的平均值，应确定最符合实际的阻尼比，以免给结构安全评估带来不利影响。
参考文献
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[2] 徐麟，陆道渊，黄良，等. 天津津塔结构的钢管混凝土柱设计[Z]. 上海: 2009812-816.
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[5] 魏琏，龚兆吉，孙慧中等. 地王大厦结构设计若干问题[J]. 建筑结构. 2000(06): 31-36.
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[8]《建筑结构荷载规范》GB5009-2012.
[9]夏兵，汪明. 超高层建筑结构周期和阻尼比对风荷载作用的影响[J]. 中国建设信息. 2015(08): 66-68.
论文作者:叶云集,陈贤川
论文发表刊物:《防护工程》2017年第13期
论文发表时间:2017/11/13
标签：阻尼论文; 结构论文; 荷载论文; 混凝土论文; 钢管论文; 组合论文; 系数论文; 《防护工程》2017年第13期论文;