粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析研究

董長(zhǎng)祥 岳焱超 尚世力 鄒小亮 王新娣

(1.山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013； 2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；3.上海藍(lán)科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433)

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粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析研究

董長(zhǎng)祥1岳焱超2尚世力2鄒小亮3王新娣3

(1.山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013； 2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；3.上海藍(lán)科建筑減震科技股份有限公司，上海 200433)

結(jié)合工程實(shí)例，介紹了粘滯阻尼器在框架結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)思路，并建立了Perform3D模型，對(duì)使用粘滯阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，結(jié)果表明，粘滯阻尼器能充分耗散地震能量，為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼比，減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

框架結(jié)構(gòu)，粘滯阻尼器，彈塑性時(shí)程分析，屈服狀態(tài)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震是通過(guò)結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度和剛度來(lái)抵御地震和風(fēng)荷載，由于地震的不確定性和風(fēng)荷載的模擬的欠缺，使得工程師不能十分準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)構(gòu)未來(lái)遭受的地震和風(fēng)的影響，那么結(jié)構(gòu)很可能不滿足安全性要求[1]。如果能夠有效的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振(震)動(dòng)控制，例如在結(jié)構(gòu)增加阻尼器，就能有效的改善結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載下的影響，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)能力。

粘滯阻尼器最先用在軍事和重工業(yè)領(lǐng)域[2]，將阻尼器用于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制還是始于20世紀(jì)80年代，在這方面的研究美國(guó)和日本做的比較早，目前粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前許多工程都在采用粘滯阻尼器進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。

本文將對(duì)某一實(shí)際工程運(yùn)用粘滯阻尼器的減震效果進(jìn)行分析。

1 工程概況

本工程位于8度區(qū)，抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為二類，該工程為四層框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為19.5 m，結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計(jì)思路目標(biāo)

1)本工程減震建筑的要求為：在多遇地震下，其建筑結(jié)構(gòu)須完全保持彈性，且非結(jié)構(gòu)構(gòu)件無(wú)明顯損壞；在罕遇地震考慮下，其減震阻尼器系統(tǒng)仍能正常發(fā)揮功能。2)本工程減震設(shè)計(jì)依據(jù)預(yù)期的水平向地震力和位移控制要求等參數(shù)，計(jì)算出減震結(jié)構(gòu)所需求的總阻尼比(ξeff)，據(jù)此選擇適當(dāng)?shù)淖枘崞鳎⑴渲迷谶m當(dāng)?shù)奈恢谩?)阻尼器配置在層間相對(duì)位移或相對(duì)速度較大的樓層，同時(shí)采用合理形式增加消能器兩端的相對(duì)變形或相對(duì)速度，提高消能器的減震效率。4)對(duì)含減震阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，包含各個(gè)不同地震考慮下的結(jié)構(gòu)彈塑性分析。根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路和要求，本工程采用11個(gè)粘滯流體阻尼器，它們分別是：X向1層～3層，每層2個(gè)，一共6個(gè)，Y向1層2個(gè)，2層3個(gè)，一共5個(gè)。所用阻尼器的參數(shù)如表1所示。

表1 粘滯流體阻尼器參數(shù)表

3 結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析

3.1 Perform3D模型的建立

本工程使用大型有限元軟件Perform3D進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析，在軟件中，使用非線性單元Damper模擬粘滯阻尼器，主體框架結(jié)構(gòu)梁、柱均定義為塑性鉸，Perform3D模型圖如圖1所示。

為了校核所建立的結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，將Perform3D和PKPM建立的非減震結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到的質(zhì)量、周期和振型分解反應(yīng)譜法下的層間剪力進(jìn)行對(duì)比，如表2～表4所示。

表2 非減震結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比 t

表3 非減震結(jié)構(gòu)周期對(duì)比(前三階) s

表4 非減震結(jié)構(gòu)基底剪力對(duì)比 kN

綜合表2～表4可知，用于本工程減震分析計(jì)算的Perform3D模型與PKPM模型，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、基底剪力方面的差異很小，因此，兩模型基本上是一致的。

3.2 地震波的選取

按GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算應(yīng)采用動(dòng)力時(shí)程分析法，且動(dòng)力時(shí)程分析應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于2組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的加速度時(shí)程曲線。本工程結(jié)構(gòu)的減震設(shè)計(jì)首先采用擬合的人工波進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再輸入2條天然地震波和1條人工波，取得包絡(luò)值后進(jìn)行比較，以保證計(jì)算的合理性，所采用的人工波和天然地震波的加速度時(shí)程曲線見圖2～圖4。

3.3 結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程結(jié)果

為了分析結(jié)構(gòu)在不同地震波、不同地震輸入方向作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向地震輸入作用下的彈塑性動(dòng)力性能進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)地震作用響應(yīng)結(jié)果，如位移、塑性鉸分布等，最終結(jié)果見表5，表6。單向地震作用下，地震波分別沿X，Y向輸入。

表5 大震下結(jié)構(gòu)層間位移角

rad-1

表6 大震下結(jié)構(gòu)層間剪力 kN

3.4 結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程屈服狀態(tài)

該部分分別截取了3條地震波作用下梁柱構(gòu)件最終屈服狀態(tài)圖，通過(guò)梁柱的出鉸情況可以看出結(jié)構(gòu)在地震作用下的受損程度。

PF3D中使用的塑性鉸定義遵循FEMA性能化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

以KL250×650為例，使用三折線塑性鉸模型。在這里三種變形狀態(tài)的取值可以對(duì)應(yīng)延性，取1,2及2.5時(shí)的變形，即IO取值為屈服曲率，LS取值為2倍的屈服曲率，CP取值為2.5倍的屈服曲率。隨著延性比增加，截面進(jìn)入塑性逐漸增強(qiáng)。

圖5～圖10反映的是三條地震波作用下梁柱構(gòu)件最終屈服狀態(tài)。

通過(guò)上面的各種地震作用下的梁柱出鉸圖可以看出，在大震作用下，大部分的梁柱沒有出鉸，阻尼器在大震作用下能吸收大部分的能量，從而有效的保護(hù)梁柱結(jié)構(gòu)。

3.5 阻尼器滯回曲線

該部分提取粘滯阻尼器的內(nèi)力—變形曲線，以查看粘滯阻尼器在七條地震波罕遇地震作用下的滯回性能，取Y向1軸粘滯阻尼器為例，以kN，mm為單位，如圖11～圖13所示。

通過(guò)圖11～圖13可以看出，在大震作用下阻尼器表現(xiàn)出對(duì)稱飽滿的滯回性能，阻尼器在大震作用下能耗大部分地震能量，從而有效的保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，采用七條地震波分析了結(jié)構(gòu)在X向單向和Y向單向地震輸入時(shí)結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，主要結(jié)論如下：

1)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的整體變形均沒有超過(guò)規(guī)范限值的1/80，其中X方向平均最大層間位移角為1/156，Y方向平均最大層間位移角為1/143，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；2)粘滯阻尼器形成飽滿的滯回曲線，在七條地震波罕遇地震作用下，粘滯阻尼器全部進(jìn)入耗能狀態(tài)，且受力未達(dá)到極限承載力，位移未超過(guò)極限位移，這說(shuō)明粘滯阻尼器是結(jié)構(gòu)耗能的一種主要構(gòu)件，充分耗散地震能量，可提供相當(dāng)?shù)母郊幼枘岜?，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。

[1] 張志強(qiáng),李愛群,徐慶陽(yáng),等.建筑減振粘滯阻尼器工程應(yīng)用新進(jìn)展[J].江蘇建筑,2007(2):15-19，58.

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[3] 侯志菡.某教學(xué)樓采用粘滯阻尼器的消能減震設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2015，41(6):32-33.

[4] 陳瑞雪,邢國(guó)雷,薛 濤.復(fù)合金屬阻尼器在高層建筑中的抗震分析[J].山西建筑,2015，41(32):45-47.

[5] 羅 鵬,羅蘇平,謝長(zhǎng)余.附加非線性粘滯阻尼器加固結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析[J].山西建筑,2015，41(32):51-53.

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On application of viscous damper in framework

Dong Changxiang1Yue Yanchao2Shang Shili2Zou Xiaoliang3Wang Xindi3

(1.ShanxiArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China; 2.Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China; 3.ShanghaiLankeBuildingDampingTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200433,China)

Combining with the engineering cases, the paper introduces the design ideas for the viscous dampers in the framework, establishes the Perform3D model, undertakes the elastic plastic time-history analysis for the viscous damper, proves by the result that the viscous damper can consume the seismic energy, so as to provide the additional damper ratio and relieve the structural earthquake response.

framework, viscous damper, elastic plastic time-history analysis, yielding status

1009-6825(2016)11-0034-03

2016-01-28

董長(zhǎng)祥(1963- )，男，高級(jí)工程師； 岳焱超(1983- )，男，碩士生導(dǎo)師，講師； 尚世力(1989- )，男，在讀碩士

TU352.1

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