第 31 卷第 6 期 2009 年 11 月 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition) Vol.31No.6 Nov.2009 doi:10.3969/j.isn.1671-7627.2009.06.010 线性与非线性黏滞阻尼支撑减震效果的比较 陈瑜 1, 刘伟庆 2 2, 陆伟东 (1. 南京工业大学建筑与城市规划学院, 江苏南京 210009; 2. 南京工业大学土木工程学院, 江苏南京 210009) 摘要 : 黏滞阻尼器的速度指数取值制约着阻尼支撑减震效果, 需确定合理的速度指数取值范围. 从工程设计应用出发, 按 2 种思路比较房屋在分别设置线性与非线性黏滞阻尼支撑后产生的结构响应 减震效果 柱轴力 经济性和安全性. 研究结果表明 : 非线性黏滞阻尼支撑在小震下较为经济有效, 在大震下抗震安全度较高且方便相关支撑与连接设计的结论. 关键词 : 黏滞阻尼支撑 ; 线性 ; 非线性 ; 速度指数中图分类号 :TU352.1 文献标志码 :A 文章编号 :1671-7627(2009)06-0045-05 Comparisonofseismic reducedefectbetweenlinearand nonlinearviscousdamperbracings CHENYu 1,LIUWei qing 2,LUWei dong 2 (1.ColegeofArchitectureandCityPlan,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China; 2.ColegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China) Abstract:Thevelocityindexofthedampermayresultindiferentseismic reducedefects,soitwasnec esarytoconfirmtheproperrangeofthevelocityindex.theseismic reducedefect,structuralresponse, columnforce,costandsafetyofstructureunderthecontroloflinearandnonlinearviscousdamperbrac ingswerecompared.theresultsshowedthatnonlinearviscousdamperbracingsweremoreefectiveand economicalunderthecommonearthquakeintensityscale.thusitwassaferandadvantageousforthede signonthestrongearthquakeintensityscale. Keywords:viscousdamperbracing;linearity;nonlinearity;velocityindex 黏滞阻尼器的基本工作原理是高层建筑的结构在风力或地震力的作用下, 与结构共同工作的黏滞阻尼器的导杆受力, 推动活塞运动, 活塞 2 边的高黏性阻尼介质产生压力差, 使阻尼介质流过阻尼孔, 产生阻尼力, 从而达到消能减震的目的. 作为一种无刚度 速度相关型的阻尼器, 其理想输出力公式为 F= CV, 式中 :C 是阻尼系数 ;V 是阻尼器两端的相对速度 ; 是速度指数.C 是影响黏滞阻尼器减震效 果的重要因素. 1 黏滞阻尼器产品中 取值情况 黏滞阻尼器 的取值与阻尼器内部构造和所选用的阻尼材料有关, 目前不同的研制者给出的速度指数存在较大的差异. 如美国泰勒公司 ( 美国有关黏滞阻尼部分的规范参考此公司的阻尼器性能和计算 ) 制造的黏滞阻尼器的 值介于 0 30~1 0 之 收稿日期 :2009-05-03 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (20576055) 作者简介 : 陈瑜 (1977 ), 女, 江苏宜兴人, 讲师, 硕士, 主要研究为结构抗震和加固鉴定,E mail:tivona@163.com.
46 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 31 卷 间 [1-2] ; 日本三菱公司制造的黏滞阻尼器的 值介于 0 4~1 0 之间 [3-4] ; 德国 Mauler 公司研制的黏滞阻尼器的 值为 0 015( 例用较少 ),FIP 和 Alga 公司的 值为 0 15 [3-4] [5-6] ; 国内欧进萍等研制的油缸间隙式黏滞阻尼器的 值介于 0 79~0 87 之间, 双出杆型黏滞阻尼器的 值介于 1 0~2 0 之间 [1], 青岛隔而固公司研制的非活塞筒式阻尼器的 值为 0 43 [3-4] [7] ; 而 Housner 等认为对于绝大多数黏滞阻尼器, 介于 0 30~0 75 之间. 依据速度指数的取值范围, 可分为以下 3 类 : =1 时, 阻尼器称为线性黏滞阻尼器, 它的阻尼力与相对速度成线性比例 ;<1 时, 阻尼器称为非线性黏滞阻尼器 ;>1 时, 称为超线性黏滞阻尼器, 阻尼力随相对速度增长而高速的增加, 这种在工程中比较少见, 故文中不予探讨. 而在实际建筑消能减震设计中, 线性与非线性黏滞阻尼器的减震应用究竟如何比较 选择是工程界较为关注的问题, 本文就此进行探讨. 量 [9-10], 平面如图 1 所示, 均布置到 5 层. 本文输入的地震波分别为 :El centro 波 Taft 波和天津波 [11-12]. 为便于比较, 设计时钢筋混凝土框架结构的布置 黏滞阻尼支撑的布置形式均相同. 2.3 在小震下控制 2 种阻尼器产生相同的结构位移反应 ( 方案 1) 2.3.1 多遇地震 (110gal) 时结构反应比较取非线性黏滞阻尼器的阻尼系数 C 1 = 1000kN s/m, 速度指数 =0 4, 计算得到的结构地震反应如表 1 所示. 由图 1 可见结构楼层的最大弹性层间位移角限值满足 GB500011 2001 建筑抗震设计规范 ( 下文简称 规范 ) 的要求. 2 2 种阻尼支撑的比较 2.1 力速度曲线和滞回曲线的比较文献 [8] 说明非线性黏滞阻尼器对于很低的相对速度, 就能输出足够大的阻尼力 ; 对于较大的速度, 阻尼力增加不大. 而线性阻尼器在速度小于 1m/s 时, 输出的阻尼力远小于非线性黏滞阻尼器 ; 在相对大的速度下, 所输出的阻尼力是前者的 5~ 10 倍, 但此时的重大隐患为在这样大的输出力下, 阻尼支撑和相关连接件在大震下是否保持安全可靠. 文献 [8] 还显示了相对速度小于 1m/s 时, 线性黏滞阻尼器的滞回环近似于圆椭圆, 而非线性的更接近于矩形椭圆, 意味着耗能能力更高. 2.2 分析思路与模型建立本文从工程应用角度出发, 着重按 2 种思路比较分别采用非线性黏滞阻尼器 (=0 4) 线性黏滞阻尼器 (=1) 时的结构反应 :1) 控制小震下具有相同的结构位移反应 比较大震下的结构性能 ;2) 控制大震下具有相同的结构位移反应 比较小震下的结构性能. 计算模型取为 5 层钢筋混凝土框架, 层高 3m, 跨度 6m, 柱截面取 500mm 500mm, 梁截面取 250mm 500mm; 所在建设场地的抗震设防烈度为 8 度, 设计基本地震加速度峰值为 0 3g. 用非线性程序 SAP2000 计算时节点均按比例加有集中质 图 1 黏滞阻尼支撑平面布置 ( 图中粗线为阻尼支撑 ) Fig.1 Planofviscousdamperbracings(boldlinesinpicture indicatedamperbracings) 当采用线性黏滞阻尼器时,=1 0, 不断调整阻尼系数 C 2, 使小震下结构的最大弹性层间位移角与前者基本相同, 从而可得到 C 2 =10600kN s/m, 此时结构的地震反应如表 1 所示. 由表 1 可知,2 种阻尼器对结构的减震能力基本相同, 然而线性黏滞阻尼器所需的阻尼系数比非线性黏滞阻尼器高一个数量级. 2 3 2 罕遇地震 (510gal) 时结构反应比较采用上述阻尼器设计参数, 进行大震下结构的时程分析, 结构的地震反应如表 2 所示, 阻尼器输出的阻尼力见表 3. 由表 2 可知, 采用 2 种阻尼器时结构在大震下的位移均满足 规范 要求 ; 采用线性阻尼器的结构在地震下结构反应小于采用非线性阻尼器的结构, 这是因为大震下线性阻尼器的阻尼力明显高于非线性阻尼器的阻尼力的缘故. 2.3.3 不可预见地震 (620gal) 时结构分析地震是突发的 无法预估的地质活动, 很有可能发生比设防烈度更大的地震. 此时, 阻尼器的阻尼力会进一步增大, 如表 4 所示. 此时, 线性黏滞阻尼器
第 6 期陈瑜等 : 线性与非线性黏滞阻尼支撑减震效果的比较 47 的最大阻尼力达 2470kN, 是非线性阻尼器最大阻尼力 (664kN) 的 3 72 倍. 另外, 如表 5 所示, 与阻尼支撑连接的钢筋混凝土柱的最大轴力达 3089kN, 比非线性阻尼器结构柱的最大轴力 (2434kN) 增加 26 91%. 阻尼力越大, 支撑必须做得越大 越刚, 才 能避免支撑因屈曲而失效 ; 同时, 支撑杆件的预埋件必须有足够的安全储备, 才能避免因预埋件承载力不足而破坏 ; 与支撑连接的钢筋混凝土柱在设计时也必须考虑今后可能发生的最不利情况. 表 1 多遇地震作用下线性和非线性黏滞阻尼支撑控制下的结构反应对比 ( 方案 1) Table1 Comparisonofstructuralresponsebetweenlinearandnonlinearviscousdamperbracings onthecommonearthquakeintensityscale(plan1) X 1/946 1/938 2305 2398 0 0400 0 0390 Y 1/812 1/811 2898 2884 0 0470 0 0440 X 1/655 1/679 1923 1848 0 0560 0 0540 Y 1/595 1/596 2274 2263 0 0640 0 0598 X 1/3945 1/2805 244 270 0 0080 0 0130 Y 1/2115 1/2124 403 400 0 0161 0 0173 表 2 罕遇地震作用下线性和非线性黏滞阻尼支撑控制下的结构反应对比 ( 方案 1) Table2 Comparisonofstructuralresponsebetweenlinearandnonlinearviscousdamperbracings onthestrongearthquakeintensityscale(plan1) X 1/162 1/203 13123 11117 0 240 0 2500 Y 1/134 1/181 17443 12904 0 283 0 1480 X 1/109 1/146 11538 8571 0 360 0 2024 Y 1/102 1/134 13688 10126 0 385 0 2220 X 1/305 1/608 2977 1252 0 121 0 0390 Y 1/354 1/475 2423 1793 0 136 0 0437 表 3 罕遇地震下两种阻尼支撑的最大阻尼力 ( 方案 1) Table3 Themaximum dampingforceoftwokindsof damperbracingsonthestrongearthquake intensityscale(plan1) 0 4 420 526 589 607 538 1 0 567 1083 1630 2032 1502 表 5 620gal 下 2 种阻尼支撑控制下柱的最大轴力 Table5 Themaximum dampingforceoftwokindsof damperbracingsat620gal 最大轴力 /kn 0 4 276 592 1030 1582 2434 1 0 303 605 1318 2287 3089 表 4 620gal 下 2 种阻尼支撑输出最大阻尼力 Table4 Themaximum columnaxialforceoftwokindsof damperbracingsat620gal 0 4 461 578 644 664 588 1 0 689 1316 1980 2470 1826 由于线性黏滞阻尼器的阻尼力随层间相对速度的增加而线性增加, 发生的地震烈度越高, 阻尼力越大, 减震效果相对越好, 但支撑内力 与支撑连接的柱内力也相应增长. 因此, 在支撑 预埋件以及与支撑连接的钢筋混凝土柱的设计时应予重视, 不能仅按小震下的内力进行设计, 应视实际情况考虑足够的安全储备.
48 南京工业大学学报 ( 自然科学版 ) 第 31 卷 2 4 在大震下控制 2 种阻尼支撑产生相同的结构位移反应 ( 方案 2) 2 4 1 罕遇地震 (510gal) 时结构反应比较取非线性黏滞阻尼器的阻尼系数 C 1 =1000 kn s/m, 速度指数 =0 4, 进行结构在罕遇地震作用下的抗震验算, 如表 6 所示 ; 结构楼层的最大层间位移角满足 规范 要求. 对于线性黏滞阻尼器, 不断调整阻尼系数 C 2 使大震下结构的最大层间位移与采用非线性黏滞阻尼器结构的最大层间位移基本相同, 从而得到 C 2 = 3500kN s/m, 此时结构地震反应见表 6. 在 2 种阻尼器的减振目标相同时, 线性阻尼器的阻尼系数是非线性阻尼器的 3 倍多. 表 6 罕遇地震作用下线性和非线性阻尼支撑控制下的结构反应对比 ( 方案 2) Table6 Comparisonofstructuralresponsebetweenlinearandnonlinearviscousdamperbracings onthestrongearthquakeintensityscale(plan2) X 1/162 1/155 13123 13699 0 240 0 238 Y 1/134 1/130 17443 17937 0 283 0 282 X 1/106 1/104 11538 12061 0 358 0 364 Y 1/98 1/95 13688 14076 0 385 0 384 X 1/305 1/285 2977 3241 0 121 0 114 Y 1/354 1/342 2423 2492 0 136 0 107 2 4 2 多遇地震 (110gal) 时结构反应比较采用上述 2 种阻尼器设计参数后, 进行结构在 小震下的地震反应分析, 如表 7 所示, 阻尼器的最大阻尼力见表 8. 表 7 多遇地震作用下线性和非线性阻尼支撑控制下的结构反应对比 ( 方案 2) Table7 Comparisonofstructuralresponsebetweenlinearandnonlinearviscousdamperbracings onthecommonearthquakeintensityscale(plan2) X 1/946 1/715 2305 2954 0 0400 0 0518 Y 1/812 1/513 2898 4547 0 0471 0 0575 X 1/655 1/481 1923 2601 0 0563 0 1242 Y 1/595 1/376 2274 3568 0 0644 0 1368 X 1/3945 1/1315 304 699 0 0080 0 0240 Y 1/2115 1/1346 403 631 0 0161 0 0230 表 8 小震下 2 类阻尼支撑的最大阻尼力 ( 方案 2) Table8 Themaximum dampingforceoftwokindsofdamper bracingsonthecommonearthquake(plan2) 阻尼类型 楼层 1 楼层 2 楼层 3 楼层 4 楼层 5 非线性 263 297 272 231 178 线性 147 199 160 110 60 小震下, 非线性黏滞阻尼器控制的结构层间位移角均小于 1/550, 满足 规范 要求 ; 而线性阻尼器 由于小震时层间速度较小, 阻尼力偏小 ( 表 8), 结构的最大层间位移角超过 规范 限值 (X 1/513, Y 1/376), 且结构层间剪力比采用非线性阻尼器时增加 30% ~50%. 3 结论 1) 当以 2 种阻尼支撑在小震下减震效果相同为目标时 : 非线性黏滞阻尼支撑在小震下更经济 ( 文中算例的最大阻尼系数仅为线性支撑的 10%); 大震下的减震效果不如线性支撑, 但其较小的阻尼
第 6 期陈瑜等 : 线性与非线性黏滞阻尼支撑减震效果的比较 49 力输出可确保结构在大震下具有较高的抗震安全度, 且方便支撑及其预埋件的设计. 线性黏滞阻尼支撑在大震下的减震效果更好 ( 文中算例的最大阻尼力为非线性支撑的 3 2 倍 ); 但其支撑杆件 预埋件以及与其连接的柱内力也随之增加, 且输出很大阻尼力情况下还存在下阻尼器本身内部出现磨损 损坏不能达到其减震要求的隐患, 在设计中应予高度注意与处理. 2) 当以 2 种阻尼支撑在大震下减震效果相同为目标时 : 非线性黏滞阻尼支撑在小震下的减震效果更好 ( 算例数据显示其最大输出阻尼力为线性支撑的 1 3 倍 ); 在大震下非线性黏滞阻尼支撑更经济 ( 算例数据显示其最大阻尼系数为线性支撑的 30% 左右 ). 参考文献 : [1] 叶正强. 工程结构减振黏滞流体阻尼器的动态力学性能试验研究 [D]. 南京 : 东南大学,2004. [2] TaylorDevicesInc.Seismicdampersandseismicprotectionprod ucts[eb/ol].(1998-09-24).htp www.taylordevices. com/tayd.htm. [3] 曾德惠. 黏滞阻尼器被动振动控制仿真研究 [J]. 湖北民族学院学报 : 自然科学版,2009,27(2):221-222. ZengDehui.Researchonsimulationofpasivevibrationcontrol systemwithfluidviscousdamper[j].journalofhubeiuniversity fornationalities:naturalscienceedition,2009,27(2):221-222. [4] 陈永祁. 工程结构用液体黏滞阻尼器的结构构造和速度指数 [J]. 钢结构,2008,23(9):48-52. ChenYongqi.Constructionandvelocityexponentsoffluidviscous damperforstructuralengineering[j].steelstructure,2008,23 (9):48-52. [5] 欧进萍, 丁建华. 油缸间隙式阻尼器理论与性能试验 [J]. 地震工程与工程振动,1999,19(4):83-89. OuJinping,DingJianhua.Theoryandperformanceexperimentof viscousdamperofclearancehydrocylinder[j].earthquakeengi neeringandengineeringvibration,1999,19(4):83-89. [6] 欧谨, 刘伟庆, 章振涛. 一种新型黏滞阻尼材料的试验研究 [J]. 地震工程与工程振动,2005,25(1):109-112. OuJin,LiuWeiqing,ZhangZhentao.Experimentalresearchona newtypeofviscousdampingmaterial[j].earthquakeengineer ingandengineeringvibration,2005,25(1):109-112. [7] HousnerGW,BergmanLA.Structuralcontrol:past,presentandfu ture[j].journalofengineeringmechanics,1997,123(9):73-79. [8] ShaoDihong,MiyamotoH K.Viscousdamperversusfriction damperforretrofitofanon ductilereinforcedconcretebuilding withunreinforcedmasonryinfils[c] ConventionoftheStruc turalengineersasociationofcalifornia.california:santabarba ra,1999:81-105. [9] 刘伟庆, 王曙光. 消能支撑框架结构的研究与应用 [J]. 南京工业大学学报 : 自然科学版,2002,24(1):30-44. LiuWeiqing,WangShuguang.Researchandpracticalapplication ofrcframewithenergydisipationbraces[j].journalofnanjing UniversityofTechnology:NaturalScienceEdition,2002,24(1): 30-44. [10] 陆伟东, 刘伟庆, 汪涛. 消能减震结构附加等效阻尼比计算方法 [J]. 南京工业大学学报 : 自然科学版,2009,31(1): 98-100. LuWeidong,LiuWeiqing,WangTao.Calculationmethodforad ditionalequivalentdampingratioofenergydisipationstructure [J].JournalofNanjingUniversityofTechnology:NaturalScience Edition,2009,31(1):98-100. [11] 汪大洋, 周云. 黏滞阻尼减震结构的研究与应用进展 [J]. 工程抗震与加固改造,2006,28(4):23-31. WangDayang,ZhouYun.State of the artofresearchandapplica tiononstructureswithviscousdamper[j].earthquakeresistant EngineeringandRetrofiting,2006,28(4):23-31. [12] 刘鹏飞, 刘伟庆. 基于位移的减震结构设计方法研究 [J]. 世界地震工程,2009,25(1):44-47. LiuPengfei,LiuWeiqing.Studyondisplacementbaseddesign methodforenergydisipationstructures[j].worldearthquake Engineering,2009,25(1):44-47.