210 振动与冲击 2016 年第 35 卷 [8] 和彦提出利用减震性能曲线设定阻尼投放量的方法其方法推导严密思路清晰, 但是应用起来较为麻烦本文旨在为附加黏弹性阻尼器的消能减震结构设计, 提出更为方便简单的设定阻尼投放量的计算方法, 其主要内容是建立 12 层钢框架结构算例模型, 采用

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五夫范
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1 振动与冲击第 35 卷第 20 期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.35No 附加黏弹性阻尼器的钢框架结构减震性能研究魏春彤, 裴星洙 ( 江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏镇江 ) 摘要 : 定义未加黏弹性阻尼器的结构为原结构, 附加黏弹性阻尼器的结构为消能减震结构建立 12 层钢框架结构模型并计算其恢复力特性, 根据原结构以及采用分数微分方法计算的消能减震结构的振动微分方程, 分别编制两种结构的弹塑性时程分析程序, 计算在多种地震动作用下的地震反应, 并对两者的能量分配进行比较分析对消能减震结构中黏弹性阻尼器的不同布设方式以及投放量进行研究, 得出阻尼器投放量与楼层的相关性并进行验证结果表明, 黏弹性阻尼器不仅具有很好的减震效果, 而且可以根据阻尼器投放量与楼层的相关性确定阻尼器投放量, 使结构的减震效果达到较优的状态关键词 : 黏弹性阻尼器 ; 地震反应 ; 能量分配 ; 阻尼器投放量中图分类号 :TU352 文献标志码 :A DOI: /j.cnki.jvs Astudyonseismicperformanceofsteelframestructureswithviscoelasticdampers WEIChuntong,PEIXingzhu (SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212000,China) Abstract: Thestructurewithoutviscoelasticdamperswascaledastheoriginalstructureandthestructurewith viscoelasticdamperswascaledasenergydisipationstructure.a12 storysteelframestructuremodelwasestablishedand itsrestoringforcecharacteristicwascalculated.theelasticplastictimehistoryanalysisprogramoftwokindsofstructures wascoded.theseismicresponsesunderavarietyofearthquakeactionswerecalculatedandtheenergydistributionwas compared.theviscoelasticdamperswithdiferentlayoutmethodsanddeliveryamountwereinvestigated.theresultsshow thattheviscoelasticdampershavegoodshockabsorptionefect.thedeliveryamountcanbedeterminedaccordingtothe relevancetothestructuretoreachanoptimumstate. Keywords:viscoelasticdamper;seismicresponse;energyalocation;dampersdelivery 国内外频繁发生的地震灾害使得建筑结构抗震设计具有十分重大而深远的意义越来越多的消能减震装置被用于提高结构的抗震性能的工程实例中, 其中黏弹性阻尼器因其良好的耗能能力被广泛采用由于黏弹性材料具有弹性和黏性双重特性, 故其能可为结构提供附加刚度和阻尼, 即使是在微小干扰下结构的振动, 阻尼器也能马上耗能而且其恢复力 - 位移滞回曲线近似于椭圆形, 故相较于其他类型的阻尼器具有很强的耗能能力 [1] [2] 周云等通过对黏弹性阻尼器的性能疲劳特性和极限变形的试验研究, 得出了温度频率应变幅值基金项目 :2013 江苏省研究生创新计划立项配套 ( ) 收稿日期 : 修改稿收到日期 : 第一作者魏春彤女, 硕士生,1991 年 4 月生通信作者裴星洙男, 博士, 教授,1954 年 10 月生 E mail:peixingzhu@126.com 以及黏弹性层厚度对黏弹性阻尼器的影响规律 ; 周颖 [3] 等根据附加黏弹性阻尼器钢框架结构的振动台试验结果, 提出了基于 OpenSees 的阻尼器尺寸选择方法 ; 以上学者通过试验对结构的动力特性和结构反应进行了对比分析, 结果均表明黏弹性阻尼器具有良好的变形性能和耗能能力 [4-6] 谭小蓉等采用有限元软件, 如 SAP2000, ANSYS 等, 对附加黏弹性阻尼器的结构进行了模拟研究, 得出的结论与上述学者试验研究所得出的结论是 [7] 吻合的此外, 程文韍等总结了国内重大工程结构采用黏弹性阻尼器进行抗风减震的典型案例, 如宿迁市 13 层交通大厦等, 结果表明结构附加黏弹性阻尼器后不仅能够满足多遇罕遇水平地震作用下的承载力与变形的要求, 甚至可以降低抗震设防要求, 且能够降低结构材料用量, 节约主体结构的工程造价在以上的研究中, 几乎没有涉及到减震结构设计初期如何设定阻尼投放量的棘手问题日本学者笠井

2 210 振动与冲击 2016 年第 35 卷 [8] 和彦提出利用减震性能曲线设定阻尼投放量的方法其方法推导严密思路清晰, 但是应用起来较为麻烦本文旨在为附加黏弹性阻尼器的消能减震结构设计, 提出更为方便简单的设定阻尼投放量的计算方法, 其主要内容是建立 12 层钢框架结构算例模型, 采用自编程序利用多条地震动对算例模型进行弹塑性时程分析 [9], 在多种工况中考察其地震反应的变化规律, 得出阻尼器投放量与楼层的关系, 并以 10 层钢框架结构为对象, 对所得结果进行了验证 1 算例模型某 12 层钢框架结构, 长度为 38.4m, 宽度为 28.8 m, 首层层高为 6.0m, 其余各层均为 4.0m,Y 方向各跨度均为 9.6m, 其结构平面图和立面图如图 1 2 所示, 其构件截面形式和尺寸见表 1, 梁柱采用固结方式连接本文仅讨论 Y 方向上的地震作用反应, 并且仅选择 Y 方向的一榀框架作为研究对象, 每榀计算宽度 ( 柱距 ) 为 6.4m, 假设质量均匀分布, 其大小为 1000 kg/m 2, 钢材牌号为 Q345, 弹性模量为 206GPa 图 2 结构立面图 Fig.2Elevationofstructure 2 恢复力特性及振动微分方程采用倒三角比例荷载, 利用静力弹塑性分析源程 [10] 序对算例模型进行推覆分析, 每一层得出如图 3 所示一条其斜率连续发生变化的光滑的恢复力 - 位移曲 [11] 线为了便于编制电算程序, 往往在一定的原则下以三根折线来替代连续发生变化的光滑的曲线, 此三根折线定义为标准三线型骨架模型 [12] 本文将各层的骨架曲线简化为标准的三线型恢复力模型, 则其各层的恢复力特性参数如表 2 所示其中,up 1 up 2 分别表示第一第二屈服位移,sk 1 sk 2 sk 3 分别表示第一第二第三屈服刚度箱型柱 H 形梁图 1 结构平面图 Fig.1Planofstructure 表 1 梁柱截面形式和尺寸 Tab.1Sectionform anddimensions ofthebeamsandthecolumns 构件截面尺寸 /mm C(1) C(2-4) C(5-8) C(9-12) G(1) H G(2-5) H G(6-8) H G(9-10) H G(11-12) H 图 3 各层恢复力 - 位移曲线 Fig.3Restoringforce displacementcurveofeachstory 表 2 12 层结构各层恢复力特性参数 Tab.2Restoringforcecharacteristic parametersofeachstoryof12storystructure 楼层 up 1 /m up 2 /m sk 1/ sk 2 / sk 3 / (kn m -1 )(kn m -1 )(kn m -1 ) 12 层层层层层层层层层层层层

3 第 20 期魏春彤等 : 附加黏弹性阻尼器的钢框架结构减震性能研究 211 将选取的一榀框架简化为多质点剪切型振动模型 [9] ( 见图 2), 其振动微分方程为 [M]{x }+[C]{x }+[K]{x}+ {F d (x)}=-[m]{i}x g (1) 式中 :[M] 为质量矩阵 ;[C] 为阻尼矩阵 ;[K] 为刚度矩阵 ;{F d (x)} 为阻尼器的阻尼力列阵, 其计算方法参考文献 [13] {x } {x } {x} 分别为各层质点的加速度速度位移反应,x g 为地震动加速度 3 黏弹性阻尼器本文所选取的阻尼器材料是日本住友 3M 开发的黏弹性材料 ( 丙烯 ), 其材料特性为储存刚度较高滞回曲线饱满, 具有较大的变形能力 ( 剪切变形能达到 300%), 温度和加载周期变化对其吸收能量的性能影响较小图 4 是黏弹性阻尼器的结构示意图, 其中,A s 和 d 分别表示黏弹性体的剪切面积和剪切厚度,L 为黏弹性体的长度,F d 为外部剪切力,u d 为 F d 作用下的剪切变形在以下的文字叙述中, 0 倍表示不加阻尼器的原结构, n 倍表示附加由 n 层 ( 单层的黏弹性材料剪切面积 A s =1m 0.4m=0.4m 2, 厚度 d 为 0.01m) 黏弹性材料组成的阻尼器的结构, 将黏弹性阻尼器采用支撑型对称附加在每一层的两侧边跨上, 支撑刚度取阻尼器刚度的 10 倍, 故可不考虑支撑的影响 [8] 阻尼 [14] 器所采用的材料为丙烯, 其储存剪切弹性模量为 G = N/m, 则单层黏弹性材料的储存刚度为 k d =G A s /d= N/m 结束文稿采用两条记录波 (Elcentro 波 Kobe 波 ) 和两条人工波 (ArtElcentro 波 ArtKobe 波 ) 进行弹塑性时程分析其中 ArtElcentro 波和 ArtKobe 波是以我国的设计用速度谱为目标谱, 基于 Elcentro1940NS 记录波的相位特性和 JmaKobe1995NS 记录波的相位特性而制成的, 通过对地震波的频度 - 周期分析和加速度谱分析 ( 阻尼比为 0.05) 可知,ArtElcentro 波的卓越周期为 0.1~0.4s;ArtKobe 波的卓越周期为 0.16~0.5s 依据卓越周期的长短, 将地震动可分为长周期地震动和短周期地震动文稿的研究对象的固有自振周期为属于短中周期, 所以就偏重考虑了卓越周期为短周期的地震动图 5 表示地震波时程曲线, 加速度峰值均调幅至 4.0m/s 2, 时间间隔为 0.01s, 作用时间均取 50s 图 5 地震波的选取 Fig.5Selectionofseismicwave 4 地震反应分析图 4 黏弹性阻尼器结构示意图 Fig.4Schematicdiagramofstructures ofviscoelasticdamper [9] 采用 Wilson-θ 法自编上述算例模型的弹塑性时程分析的电算程序, 利用地震动作用下第 m 次循环 [13] 后主结构的地震反应值, 并根据分数微分模型计算黏弹性阻尼器产生的阻尼力, 将所得阻尼力代入到主结构第 m+1 次循环, 从而求得结构第 m+1 次循环的阻尼力, 如此循环往复直至所有时间点的地震动计算 4.1 地震动作用下的位移反应利用四条地震动计算地震反应后, 为了避免繁琐的叙述, 在图 6 中仅表示 ArtElcentro 波第 12 层和 Kobe 波第 1 层 0 倍和 4 倍结构的位移反应时程曲线, 图 7 表示各层的最大位移反应值由图 6 可知, 在地震动作用下, 原结构在反应过程中会出现偏离其平衡位置的现象, 而消能减震结构中阻尼器能够补强结构刚度, 使结构发挥自复位功能, 保证结构在反应过程中不发生偏离由图 7 并计算结构各层的位移反应最大值降低率 ((0 倍最大位移 ~4 倍最大位移 )/0 倍最大位移 ), 可以看出, 结构的位移最大值均减小, 且降低率可达到 25% 以上 4.2 地震动作用下的绝对加速度反应在图 8 中仅表示 ArtElcentro 波第 12 层和 Kobe 波第 1 层 0 倍和 4 倍结构的绝对加速度反应时程曲

4 振动与冲击６年第３５卷４３允许层间位移角的验算丙烯类黏弹性材料其适用范围的剪应变幅值为３８本文阻尼器黏弹性材料层厚度为ｍｍ故斜撑的允许伸长量或缩短量为３ｍｍ从图中可知阻尼器所允许层间位移限值应为槡４３４９６３３ｍｍ所对应的层间位移角为８首层为３４ｍｍ所对应的层间位移角为６图６结构第层和第层的位移反应Ｆ６Ｄｍｗ图层间位移角限值ＦＴｍ图７结构各层的最大位移Ｆ７Ｍｍｍｍ图表示倍和４倍结构的层间位移角最大值大小为５的建筑抗震设计规范所规定的罕遇地震作用下的层间位移角规范限值和上述的阻尼器限值并由此计算结构各层层间位移角降低率倍层间位移角４倍层间位移角倍层间位移角可知在四条地震动作用下消能减震结构各层的层间位移角明显小于原结构的层间位移角且都在规范规定和阻尼器允许的限值内一些层最大降低率可达到７３图８结构第层和第层的绝对加速度Ｆ８Ａｂｗ线图９表示各层的最大绝对加速度反应值由图８９并根据图９计算结构各层的绝对加速度反应最大值降低率倍最大绝对加速度４倍最大绝对加速度倍最大绝对加速度可以看出附加阻尼器后结构的绝对加速度反应明显减小个别楼层降低率可达４９９充分表明黏弹性阻尼器具有较高的附加阻尼比的功能图结构各层的最大层间位移角ＦＩ图９结构各层的最大绝对加速度Ｆ９Ｍｍｍｂ４４地震动作用下的剪力反应在图中倍表示不加阻尼器的原结构的框

5 第期魏春彤等附加黏弹性阻尼器的钢框架结构减震性能研究３架承受的剪力４倍表示附加阻尼器的消能减震结图４表示在四条地震动作用下附加４倍阻尼器构的框架承受的剪力阻尼器表示阻尼器承受的剪的消能减震结构的能量分配分布其中表示地震动力４倍阻尼器表示附加阻尼器的消能减震结构表示质点系动能框架内部输入于结构的能量Ｗ承受的剪力由图可知由于阻尼器承受一部分剪力阻尼消耗的能量框架弹塑性变形能量Ｗ表示阻尼所以消能减震结构各层的最大剪力明显减小最大剪器消耗的能量Ｗ表示Ｗ和Ｗ的叠加即消力降低率可达到６能减震结构消耗的总能量从图中可以看出地震动输入于结构的能量和构消耗的总能量几乎相等即满足守恒故可以讲程序的运行是可靠的图结构及阻尼器各层剪力最大值分布ＦＴｍｍｍｂ图４消能减震结构的各部分耗能比较ｍＦ４Ｃｍ５能量分配利用图３比较四条地震动作用下结构加４倍图５表示在四条地震地震动作用下倍和４与不加倍阻尼器时的地震动输入于结构的能量倍结构动能或势能Ｗ与输入能量的比值从图的大小由图可知该能量的大小与不同的地震动和中可以看出附加阻尼器以后动能或势能减少这就是否附加阻尼器均具有相关性以能量角度说明附件阻尼器后减少势能即减少水平位移图３地震输入能量比较图５动能Ｗ占地震输入能量的比例Ｆ３ＣｍｍＦ５ＫＷｍ

振动与冲击４图６表示在４条地震地震动作用下倍和４６年第３５卷在图８中倍表示原结构的总耗能占地震动倍结构框架内部阻尼消耗的能量Ｗ与输入能量的输入于结构的能量比例４倍表示消能减震结构中比值从图中可以看出附加阻尼器以后框架内部阻主体结构本身的耗能占地震动输入的能量比例Ｗ尼消耗的的能量几乎减少到一半可以遏制结构构件

6 振动与冲击４图６表示在４条地震地震动作用下倍和４６年第３５卷在图８中倍表示原结构的总耗能占地震动倍结构框架内部阻尼消耗的能量Ｗ与输入能量的输入于结构的能量比例４倍表示消能减震结构中比值从图中可以看出附加阻尼器以后框架内部阻主体结构本身的耗能占地震动输入的能量比例Ｗ尼消耗的的能量几乎减少到一半可以遏制结构构件表示消能减震结构中的阻尼器耗能占地震输入能量不必要的温度的上升的比例由图可知不加阻尼器的结构其地震动输入于结构的能量全部由主体结构本身所消耗而消能减震结构的主体结构本身消耗的能量仅占地震动输入的能量的３４阻尼器耗能可达６７图６内部阻尼消耗能Ｗ占地震输入能量的比例Ｆ６ＩｍＷｍ图７表示在４条地震地震动作用下倍和４图８结构总耗能Ｗ占地震输入能量的比例倍结构框架消耗的弹塑性变形能Ｗ与输入能量的Ｆ８Ｓｍ比值从图上可以看出附加阻尼器后减少弹塑性变ｍ形能在一定程度上遏制主体结构的损伤弹塑性变形保证中震不坏大震可修的现代设计理念图９为以百分比堆积条形图形式表达的能量的分配其中３５７表示倍结构的能量分配４６８表示４倍结构的能量分配由图可知原结构的Ｗ所占比例很小地震输入能量主要由Ｗ和Ｗ消耗消能减震结构６的地震输入能量被阻尼器消耗结构本身阻尼耗能和变形耗能大大减少可见附加阻尼器后能量的分配发生变化向有利于消能减震方向发展图７结构变形能Ｗ占地震输入能量的比例Ｆ７ＳｍＷ图９层结构各种能量比例ｍＦ９Ｖ

7 第期魏春彤等附加黏弹性阻尼器的钢框架结构减震性能研究５阻尼器滞回曲线５６不同工况的最大位移比较黏弹性阻尼器在发挥耗能作用时会出现软化和硬图表示四条地震动作用下不同工况的最大位波作用下结构第层阻尼化的现象现选取Ｅ移比较由图可知工况３４的最大位移小于工器的滞回曲线对这两种特性进行研究如图为使况时的最大位移即附件黏弹性阻尼器可以减小结效果更直观清晰对滞回曲线进行分解图为前构的最大位移反应工况优于工况３且优于工况４个时间点的滞回曲线图ｂ为前５个时工况优于工况３且优于工况４工况４优于工况３中５分别表示滞回曲线间点的滞回曲线图的第５圈可以看出标注的储存刚度滞回环的斜率最大可认为阻尼器初期发生了硬化现象且滞回曲线大致呈现出随标注增大储存刚度逐渐减小的趋势即阻尼器发生了软化现象图黏弹性阻尼器的滞回曲线ＦＴｖｖｍ图不同工况的最大位移比较５结构滞回曲线图对原结构与消能减震结构的恢复力位移曲线进行了比较仅列出ＡＥ波第层和ＫｂＦＣｍｍｍｍｍ６不同工况的最大绝对加速度比较波第层可以得出原结构在地震动作用下会进入塑图３表示四条地震动作用下不同工况的最大绝性阶段而消能减震结构能保证结构在受到地震动作对加速度比较由图可知工况３４的最大绝对用时始终保持在弹性阶段避免了结构因发生塑性变加速度小于工况时的最大绝对加速度在低楼层处形而产生的破坏有例外即附件黏弹性阻尼器可以减小结构的最大绝对加速度反应图结构各层的恢复力位移曲线ＦＲｍｖ６阻尼器不同布设方式比较分别讨论四条地震动作用下原结构基础上五种工况的最大层间位移最大位移最大绝对加速度的比较工况表示不加黏弹性阻尼器工况表示黏弹性阻尼器设置在层工况表示黏弹性阻尼器设置在６层工况３表示黏弹性阻尼器设置在７层工况４表示黏弹性阻尼器设置在偶数层其中工况４均采用４倍方式布置在相应楼层上图３不同工况的最大绝对加速度比较Ｆ３Ｃｍｍｍｍｂ

8 振动与冲击６６年第３５卷６３不同工况的最大层间位移比较图４表示四条地震动作用下不同工况的最大层３４的最间位移比较由图可知总体来说工况大层间位移小于工况时的最大层间位移即附件黏弹性阻尼器可以减小结构的最大层间位移反应工况优于工况３且优于工况４其余情况结果对比不明显综合比较几种工况的最大位移最大绝对加速度以及最大层间位移可以认为工况即在每一层都设置黏弹性阻尼器的结构减震效果是最好的图５不同阻尼器投放量结构最大位移比较Ｆ５Ｍｍｍｍｗｖ７不同阻尼器投放量的结构最大绝对加速度比较图６表示不同地震动作用下结构采用不同黏弹性阻尼器投放量时结构各层的最大绝对加速度比较由图可知当投放量小于６倍时结构的绝对加速度反应小于不加阻尼器时的最大绝对加速度反应当投放量大于等于６倍时结构的绝对加速度反应反而大于不加阻尼器时的最大绝对加速度反应即结构各层图４不同工况的最大层间位移比较Ｆ４Ｃｍｍｍｍｍ的最大绝对加速度反应并非随投放量的逐渐增加而逐渐减小说明黏弹性阻尼器的减震效果并不是采用的投放量越多其减震效果越好而是存在一个转折点以７不同黏弹性阻尼器投放量的影响６倍为限值当投放量小于６倍时阻尼器的减震效７不同阻尼器投放量的结构最大位移比较仍采用上述四条地震动对结构设置不同的黏弹性阻尼器投放量的最大位移最大绝对加速度最大层间位移进行计算比较图５表示不同地震动作用下结构采用不同黏弹性阻尼器投放量时结构各层的最大位移反应比较由图可知结构附加黏弹性阻尼器后无论投放量采用多少倍结构各层的最大位移反应均减小这也验证了黏弹性阻尼器具有减震效果除此之外仍可得出结构各层的最大位移反应并非随黏投放量的逐渐增加而逐渐减小说明黏弹性阻尼器的减震效果并不是采用的黏弹性材料层越多其减震效果越好而是存在一个转折点以６倍为限值当投放量小于等于６倍时阻尼器的减震效果随投放量的增加而增大而当投放６倍时其减震效果反而随投放量的继续增加量大于而减小图６不同阻尼器投放量结构最大绝对加速度比较Ｆ６Ｍｍｍｂｗｖ

9 第 20 期魏春彤等 : 附加黏弹性阻尼器的钢框架结构减震性能研究 217 果随投放量的增加而增大, 而当投放量大于等于 16 倍时, 其减震效果反而随投放量的继续增加而减小 7.3 不同阻尼器投放量的结构最大层间位移比较图 27 表示不同地震动作用下, 结构采用不同黏弹性阻尼器投放量时, 结构各层的最大层间位移反应比较由图可知, 结构附加黏弹性阻尼器后, 无论投放量采用多少倍, 结构各层的最大层间位移反应均减小 (El centro 波作用下,2 倍黏弹性材料时, 结构第 8 层除外 ), 且附加阻尼器后, 结构的层间位移变化较均匀除此之外, 仍可得出, 结构各层的最大层间位移反应并非随投放量的逐渐增加而逐渐减小, 说明黏弹性阻尼器的减震效果并不是采用的投放量越多其减震效果越好, 当投放量等于 16 倍时, 阻尼器的减震效果随投放量的增加而增大, 而当投放量大于 16 倍时, 其减震效果反而随投放量的继续增加而减小表 3 黏弹性阻尼器与结构的刚度比 Tab.3Stifnesratioofthedampersandthestructure 楼层原结构刚度 / (kn m -1 ) 阻尼器刚度 / (kn m -1 ) 刚度比 12 层层层层层层层层层层层层将表 3 中阻尼器与原结构的刚度比与楼层关系采用最小二乘法进行曲线拟合, 得出结构的刚度比与楼层关系的拟合公式 : λ i =0.015i i+0.95 (2) 式中 :i 表示层号,λ i 表示阻尼器与原结构的刚度比图 28 表示阻尼器与原结构刚度比与层数的关系曲线和式 (2) 表示的拟合曲线, 从图中可以看出, 式 (2) 能够较准确的反映结构刚度比和层数之间的关系表 4 梁柱截面形式和尺寸 Tab.4Sectionform anddimensions ofthebeamsandthecolumns 构件截面尺寸 /mm 图 27 不同阻尼器投放量结构最大层间位移比较 Fig.27Maximuminterstorydriftratioofeachstory ofthestructurewithdiferentdelivery 箱型柱 C(1) C(2-3) C(4-6) C(7-10) G(1) G(2-4) H H 综上所述, 取黏弹性阻尼器投放量为 14 倍时, 结构的减震效果较好, 将 14 倍定义为阻尼器较优投放量, 此时, 阻尼器的储存刚度为 k d = = H 形梁 G(5-6) G(7-8) G(9-10) H H H N/m, 阻尼器与原结构的刚度比见表 3 图 28 刚度比与层数的关系 Fig.28Relationshipbetweenstifnesratioandstories 图层结构各层恢复力 - 位移曲线 Fig.29Restoringforce displacementcurve ofeachstoryofthe10storystructure

10 218 振动与冲击 2016 年第 35 卷 7.4 验证采用一 10 层 3 跨钢框架算例模型对式 (2) 的结果进行验证, 其梁柱截面形式了尺寸见表 4, 所得其各层恢复力 - 位移曲线如图 29, 各层的恢复力特性参数如表 5 表 5 10 层结构各层恢复力特性参数 Tab.5Restoringforcecharacteristic parametersofeachstoryof10storystructure 楼层 up 1 /m up 2 /m sk 1/ sk 2 / sk 3 / (kn m -1 )(kn m )(kn m ) 10 层层层层层层层层层层按式 (2) 得到 10 层结构各层应设置的阻尼器与结构的刚度比如表 6, 由刚度比计算阻尼器的储存刚度, 并根据上述阻尼器的储存刚度与储存剪切弹性模量的关系, 计算各层应附加的阻尼器的剪切面积 A s ( 假设阻尼器厚度为 10mm), 即采用表 6 中的剪切面积对结构各层的黏弹性阻尼器进行设置, 可以使减震效果达到较优的状态按照式 (2) 计算的阻尼器投放量对一 10 层钢框架结构模型进行弹塑性时程分析, 用以验证式 (2) 的正确性和通用性, 图 30(a)~(c) 分别表示结构各层的最大位移最大绝对加速度以及最大层间位移, 0 表示原结构, 4m 2 5m 2 6m 2 ( 式 (2) 计算的剪切面积每一层都不同, 在进行时程分析时存在一定的难度, 此处为近似取值 ) 表示不同剪切面积的阻尼器的消能减震结构由图可知, 按式 (2) 确定的阻尼器投放量能够在很大程度上减小结构的最大位移最大绝对加速度以及最大层间位移反应在图中选用的三种剪切面积的阻尼器中, 最大位移和最大层间位移随剪切面积的增大减震效果增加, 而最大绝对加速度并不随投放量的增加而逐渐增加, 6m 2 反而出现增大的现象 ( 图中仅列出 ArtElcentro 的情况, 采用 ArtKobe 波 Elcentro 波 Kobe 波的计算结果具有相似结论, 不再赘述 ) 综合考虑图 30(a)~(c), 可认为剪切面积取 5m 2 ( 约为各层剪切面积的均值 ) 时的减震效果较好, 即在使用式 (2) 确定阻尼器投放量时, 可根据计算的各层剪切面积平均值确定表 6 10 层结构应附加的阻尼器与结构刚度比 Tab.6Stifnesratioofthedampersandthestructure 层数刚度比结构刚 /(kn m -1 ) 阻尼器刚 /(kn m -1 ) A s /m 图层结构不同阻尼器投放量的地震反应 Fig.30Seismicresponseofthe10storystructurewithdiferentdampersdelivery 8 结论本文首先以附加黏弹性阻尼器的 12 层钢框架结构为研究对象, 建立振动微分方程, 并在此基础上考虑黏弹性阻尼器的减震作用, 分别编制原结构与消能减震结构的弹塑性时程分析程序, 分别计算四条不同地震动作用下, 原结构与消能减震结构的地震反应, 并通过计算对比两种结构的耗能情况其次研究黏弹性阻

11 第 20 期魏春彤等 : 附加黏弹性阻尼器的钢框架结构减震性能研究 219 尼器的不同布设方式以及不同黏弹层数对结构减震性能的影响, 得出阻尼器投放量与楼层的相关性并进行验证结果表明 : (1) 附加黏弹性阻尼器后, 结构各层的位移反应均有所减小, 且峰值降低率可达 25% 以上 ; 加速度反应层间位移反应剪力反应也均有不同程度的减小 ; 黏弹性阻尼器可以减少位移和加速度, 具有金属阻尼器和黏滞阻尼器的双重性质 ; (2) 消能减震结构的结构本身消耗的各项能量占地震输入总能量的比例较原结构明显减小, 阻尼器充分发挥减震性能, 耗能可达地震输入能量的 60% ~ 70%, 使得结构能够完全处于弹性阶段, 不发生塑性变形, 从而保护主体结构 ; (3) 通过对黏弹性阻尼器几种不同的布设工况以及黏弹性阻尼器不同投放量情况下的地震反应进行比较分析, 得出针对 12 层钢框架结构的较优阻尼器投放量, 据此总结出阻尼器与结构刚度比与结构层数的关系, 式 (2) (4) 为验证式 (2) 的正确性和通用性, 对一 10 层钢框架结构的阻尼器投放量进行了计算, 根据式 (2) 确定的阻尼器投放量能够使结构的减震效果达到较优的状态, 故认为本文提出的方法具有一定的参考意义参考文献 [1] 张敏. 建筑结构抗震分析与减震控制 [M]. 成都 : 西南交通大学出版社,2007:179. [2] 周云, 松本达治, 田中和宏, 等. 高阻尼黏弹性阻尼器性能与力学模型研究 [J]. 振动与冲击,2015,34(7):1-7. ZHOU Yun, MATSUMOTO Tatsuji, TANAKA Kazuhiro, etal.performanceandmechanicalmodelofhighdamping viscoelasticdamps[j]. JournalofVibration and Shock, 2015,34(7):1-7. [3] 周颖, 龚顺明, 吕西林. 带黏弹性阻尼器钢结构振动台试验研究 [J]. 建筑结构学报,2014(7):1-10. ZHOUYing,GONGShunming,L Xilin.Studyonshaking tabletestofa steelstructure with additionalviscoelastic dampers[j].journalofarchitecturalstructure,2014(7): [4] 谭小蓉. 黏弹性阻尼器在某框架结构减震中的研究 [J]. 河南建材,2014(1): TANXiaorong.Studyonviscoelasticdampersinthevibration oftheframestructure[j].henanbuildingmaterials,2014 (1): [5] 桑超, 刘中华. 黏弹性阻尼器在结构抗震控制中的应用 [J]. 福建建筑,2014(6): SANGChao,LIU Zhonghua.Viscoelasticdampersusedin seismiccontrol[j].fujianarchitecture,2014(6): [6] 孙玉萍, 王敏, 王云. 钢框架中黏弹性阻尼器的空间布置优化分析 [J]. 工程抗震与加固改造,2008(5): SUNYuping,WANGMin,WANGYun.Optimalanalysisof spatialarangementonsteelframestructurewithviscoelastic dampers[j]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofiting,2008(5): [7] 程文韍, 隋杰英, 陈月明, 等. 宿迁市交通大厦采用黏弹性阻尼器的减震设计与研究 [J]. 建筑结构学报,2000(3): CHENG Wenrang, SUIJieying, CHEN Yueming, etal. Design and research ofviscoelastic dampers for trafic building in Suqian city[j]. Journal of Architectural Structure,2000(3): [8] 日本隔振构造协会. 被动减震结构设计施工手册 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2008: [9] 裴星洙. 建筑结构抗震分析与设计 [M]. 北京 : 北京大学出版社,2013: [10] 青山博之, 上村智彦. マトリックス法による构造解析 [M]. 东京 : 培风馆,2003. [11] 裴星洙. 高层建筑结构设计 [M]. 北京 : 知识产权出版社, 2014:322. [12] 包世华. 新编高层建筑结构 [M]. 北京 : 中国水利水电出版社,2001:347. [13] 笠井和彦, 所健. 黏性体の温度振动数振幅依存を考虑した构成则 ( その2 温度上癉および歪歪速度がもたらす非瞃形性のモデル化 )[C]// 日本建筑学会构造论文集, 第 561 号,2002,11: [14] 大熊洁. アクリル系粘性体 VEM の评方法パッシブ制振构造シンポジウム [M]. 东京工业大学长津田キャンパス,2000:249.

86 地震工程与工程振动第 38 卷 yielding.underrareearthquake,thedampercanefectivelycontrolthestructuraldisplacementresponseandim provetheseismicperformanceofthestr

86 地震工程与工程振动第 38 卷 yielding.underrareearthquake,thedampercanefectivelycontrolthestructuraldisplacementresponseandim provetheseismicperformanceofthestr 第 38 卷第 4 期 2018 年 8 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.38No.4 Aug.2018 文章编号 :1000-1301(2018)04-0085-08 DOI:10.13197/j.eeev.2018.04.85.cheny.013 分级屈服型金属阻尼器减震性能分析陈云 1, 陈超 1, 刘涛