石桂菊，何明勝，鄭軍偉

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003）

圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)的試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及減震效果的仿真分析

石桂菊，何明勝，鄭軍偉

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003）

為了對圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)（EWMVS）進行減震效果的試驗研究，本文根據(jù)試驗方案中的結(jié)構(gòu)模型和動力參數(shù)在有限元分析軟件SAP2000中建立了EWMVS的有限元模型，并進行基本特性對減震效果的影響分析，旨在研究EWMVS的減震原理及減震效果。研究結(jié)果表明，EWMVS體系的位移和加速度響應(yīng)相對于抗震結(jié)構(gòu)的降低幅度分別為43.41%、45.12%，說明EWMVS對減震有效，且子結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量滿布、頻率比越接近1.0減震效果越好，最后，提出了圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)中減震裝置性能參數(shù)的確定原則，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的具體情況對EWMVS的各參數(shù)進行必要的優(yōu)化。

圍護墻；減震效果；仿真分析；參數(shù)優(yōu)化

圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)（EWMVS）作為一種新型減震結(jié)構(gòu)形式［1］，充分綜合了自身各部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，使得T MD能夠靈活布置并且不需附加質(zhì)量塊，適用于多高層框架建筑中。EWMVS的減震原理類似于MT MD結(jié)構(gòu)體系，不同之處在于創(chuàng)新性地提出以圍護墻作為T MD子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量塊，該結(jié)構(gòu)體系的控制裝置立面如圖1所示。

此結(jié)構(gòu)的特性是，在小震作用下主體結(jié)構(gòu)與圍護墻作為一個整體提供側(cè)移剛度來抵抗水平地震作用，類似于框架填充墻結(jié)構(gòu)；中、大震作用下，圍護墻子結(jié)構(gòu)與主體框架有機結(jié)合起來，形成一個多功能調(diào)諧減震系統(tǒng)，能有效減輕地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的損害，其原理與巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系類似［2］。由于框架結(jié)構(gòu)中的每片墻都可以作為質(zhì)量塊，因此可以根據(jù)實際需要設(shè)定T MD的個數(shù)、位置等來保證建筑結(jié)構(gòu)受到的損害降至最低。圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)的提出，既解決了傳統(tǒng)調(diào)諧減震技術(shù)需要另設(shè)質(zhì)量塊而增加造價的不足，又為高層、超高層建筑的減震理論拓展了思路及發(fā)展空間。

本文以EWMVS的課題為背景，針對振動臺試驗建立有限元模型，進行參數(shù)設(shè)計和地震反應(yīng)分析，提出影響減震效果的主要因素及其影響規(guī)律，給出了EWMVS中減震裝置性能參數(shù)的確定原則，為振動臺試驗提供參考和依據(jù)［3］。

圖1 EWMVS的控制裝置Fig.1 The control device of EWMVS

1 基本平衡方程及影響因素分析

EWMVS受到地震激勵而振動，若激勵頻率接近主體結(jié)構(gòu)的固有頻率時，建筑結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生共振。此時，如果調(diào)節(jié)圍護墻子結(jié)構(gòu)的固有頻率，使其接近激勵頻率或者主體結(jié)構(gòu)的振動頻率，子結(jié)構(gòu)因主體結(jié)構(gòu)振動而受到的慣性力會反向作用于主體框架上，從而抑制主體結(jié)構(gòu)的振動，減輕地震損害。理想條件下，主結(jié)構(gòu)的振幅甚至為零，即振動反應(yīng)消失，而子結(jié)構(gòu)的振幅在允許范圍內(nèi)不致造成結(jié)構(gòu)的損壞。由此可見，調(diào)節(jié)圍護墻子結(jié)構(gòu)的固有頻率與地震動的激勵頻率問題是T MD系統(tǒng)應(yīng)用于EWMVS的核心問題，這也是調(diào)諧質(zhì)量減震技術(shù)的工作原理。

該結(jié)構(gòu)基底受地震波作用時，SAP2000中的非線性時程分析的基本平衡方程為［4］：

上式中：M、C、K分別為主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、粘滯阻尼矩陣和靜力剛度矩陣，且采用瑞利阻尼C＝a M＋b K；u（t）u（t）u（t）分別表示節(jié)點的絕對位移、速度和加速度；R（t）是外部施加于結(jié)構(gòu)的荷載向量；RNL是非線性單元力總和的整體節(jié)點力向量。

對于MT MD的研究表明，主子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、剛度比以及子結(jié)構(gòu)的阻尼比對減震結(jié)構(gòu)的減震效果影響較大，此外，T MD個數(shù)、布置位置、場地條件等也會影響結(jié)構(gòu)的減震效果。

本文針對振動臺試驗條件，選定質(zhì)量比以及剛度比為影響因素進行E WMVS的減震有效性分析。

1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及有限元模擬

1.1 模型設(shè)計

為了驗證EWMVS的減震有效性及質(zhì)量比剛度比對減震的影響規(guī)律，制作了三層單跨鋼結(jié)構(gòu)模型，其平立面尺寸如圖2所示。

試驗用地震波為壓縮后18.96 s的El－Centr o波，通過改變墻體質(zhì)量以及U型金屬阻尼器的厚度來驗證該模型的減震效果，分析主子結(jié)構(gòu)質(zhì)量比以及剛度比對EWMVS減震的影響規(guī)律。

試驗?zāi)Ｐ偷闹黧w框架采用鋼結(jié)構(gòu)，梁、柱模型材料與原材料相同，均為A3鋼材。樓板質(zhì)量以混凝土配重質(zhì)量模擬，圍護墻為120磚墻。

試驗?zāi)Ｐ偷钠搅⒚娉叽缛鐖D2所示，長1780 mm、寬1670 mm、高3200 mm，構(gòu)件截面尺寸如下：框架柱：H W100×100×6×8，框架梁：HN150×75×5×7；墊梁采用8號槽鋼；樓板是240 mm×1000 mm×1100 mm的混凝土塊。

試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

試驗將在西安建筑科技大學(xué)實驗中心進行。

1.2 工況設(shè)計

首先，對普通抗震框架模型進行錘擊試驗，測得結(jié)構(gòu)的自振特性。再對普通框架進行地震作用下的抗震測試，分別輸入名義加速度峰值分別為100、200、400、600、800 gal的 El－Centro波，地震波輸入方向為X方向，得到抗震框架模型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)情況。然后，對圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)重復(fù)上述過程，即先進行模型的錘擊試驗，再分別按表1所示工況輸入不同震級的地震波，通過改變U型金屬帶片的厚度確定子結(jié)構(gòu)剛度的取值范圍，通過改變墻體的個數(shù)來確定主子結(jié)構(gòu)質(zhì)量比的優(yōu)化規(guī)律，將減震時所得結(jié)果與抗震情況作對比，分析各因素對減震效果的影響。

圖2 模型平立面尺寸Fig.2 The plan and elevation size

圖3 試驗?zāi)Ｐ虵ig.3 The experi mental model

表1 試驗工況設(shè)計Tab.1 The test conditions design

1.3 有限元模型的參數(shù)設(shè)計

在SAP2000中建立與試驗?zāi)Ｐ拖嗤挠邢拊Y(jié)構(gòu)，包括相同的尺寸、材料、荷載、配重等。

本試驗所用的阻尼單元為U型金屬帶片，在SAP2000中采用具有線性屬性的Wen塑性單元（Plastic Wen），試驗?zāi)Ｐ偷母粽饐卧捎脻L軸支座的形式?？紤]到試驗中滾軸與梁的接觸誤差的存在，使得脆性抗壓件并未到達屈服狀態(tài)，因此在SAP2000中應(yīng)是線性屬性，也用Plastic Wen型連接單元模擬。

對于鋼框架，結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼比一般設(shè)定為0.02，表示兩個相鄰的震動極大值之間的衰減比為0.88［4］。在定義函數(shù)時，將時間間隔值設(shè)為0.0127以便將地震波壓縮為18.96 s，而定義分析工況時，選擇非線性振型積分方式的時程動力分析方法，施加荷載的比例系數(shù)與輸入試驗?zāi)Ｐ椭械卣鸩ǖ拿x加速度峰值的對應(yīng)關(guān)系在表1中給出。

2 有限元時程分析

處理結(jié)構(gòu)在地震作用下的地震反應(yīng)問題多采用非線性動力時程分析法。本文采用FNA法對所建模型進行動力分析。定義非線性分析工況時需要注意初始狀態(tài)的確定，而時程類型則選擇為模態(tài)積分方式，此時，只考慮結(jié)構(gòu)連接單元的非線性，而不是所有材料包括框架梁柱等的非線性，這樣更復(fù)合實際情況。

2.1 EWMVS的有效性

在對EWMVS的減震有效性進行驗證時，為方便起見，將圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)稱為減震結(jié)構(gòu)，將普通框架圍護墻結(jié)構(gòu)稱為抗震結(jié)構(gòu)。在SAP2000中，設(shè)定主子結(jié)構(gòu)總質(zhì)量比為3.03，子結(jié)構(gòu)剛度給定值為50 k N／m，用時程分析法研究抗震結(jié)構(gòu)和減震結(jié)構(gòu)在不同工況下的動力反應(yīng)，將兩種結(jié)構(gòu)柱頂?shù)奈灰品磻?yīng)和加速度反應(yīng)作對比分析。

圖4是輸入地震波加速度為600 gal時的位移和加速度反應(yīng)對比曲線。

由圖4可知：減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯小于抗震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減震結(jié)構(gòu)位移降低幅度約為43.41%左右，加速度降低幅度為45.12%左右。由此可見，對于圍護墻來說，在抗震結(jié)構(gòu)中僅起圍護作用，而在減震結(jié)構(gòu)中則起到了很大的減震作用，即E WMVS對于減震作用方面是有效的。

圖4 減震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)對比曲線Fig.4 The comparison curve of damping structure and antiseismic structure

2.2 質(zhì)量比對減震的影響

分別對二三層布置墻與僅三層布置墻的工況進行時程分析，將得出的各工況下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)作對比分析，當(dāng)輸入地震波名義加速度峰值為600 gal時，兩種結(jié)構(gòu)形式下的柱頂位移和加速度反應(yīng)如圖5所示，不同質(zhì)量比時結(jié)構(gòu)柱頂位移與加速度的減震幅度如圖6所示。其中，減震幅度指的是減震結(jié)構(gòu)二三層布墻時的位移（加速度）與僅三層布墻時的位移（加速度）的差值除以僅三層布墻時減震結(jié)構(gòu)的位移（加速度）值。

由圖5和圖6可知：二三層布置墻時地震反應(yīng)要比僅三層布置墻時的地震反應(yīng)小，說明T MD個數(shù)越多，E WMVS的減震效果越好。由圖6可知：各級地震作用下，地震反應(yīng)的降低幅度隨著輸入結(jié)構(gòu)的名義加速度峰值的增大而增大，在600 gal時達到最優(yōu)效果，位移的降低幅度約為18.05%左右，加速度的降低幅度約為32.5%左右，地震加速度繼續(xù)增大時，地震反應(yīng)的降低幅度不再明顯變化。

圖5 600 gal地震波作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)Fig.5 The seis mic response of structure under 600gal earthquake

圖6 n＝2與n＝4時柱頂位移和加速度反應(yīng)降低幅度Fig.6 The decrease of displacement and acceleration when n＝2 and n＝4

2.3 剛度變化對減震的影響

由E WMVS的工作原理可知，主子結(jié)構(gòu)的頻率比越接近，子結(jié)構(gòu)受到的慣性力會反向同步作用于主結(jié)構(gòu)，此時的減震效果最理想［5］。而主子結(jié)構(gòu)的剛度比歸根結(jié)底指的是頻率比，當(dāng)主子結(jié)構(gòu)頻率比及質(zhì)量比一定時，可以確定剛度比變化對減震效果的影響規(guī)律。剛度變化的調(diào)節(jié)是根據(jù)U型金屬帶片厚度的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的［6］，結(jié)構(gòu)柱頂位移及加速度反應(yīng)隨輸入地震波名義加速度峰值的變化情況如圖7所示，剛度K＝24.8、80、198、380 k N／m時分別對應(yīng)U型金屬阻尼器厚度為2、3、4及5 mm時的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)情況。

由圖7可見：隨著輸入結(jié)構(gòu)地震波名義加速度峰值的增大，結(jié)構(gòu)柱頂?shù)牡卣鸱磻?yīng)是呈基本線性增大的。但是，剛度變化所引起的地震反應(yīng)對位移和加速度有不同的變化，隨著剛度的增加，位移先減小后增大再減小，剛度為80 k N／m及380 k N／m時的位移均較??；加速度的變化趨勢也是先減小后增大再減小，與位移相比幅度變化較大，剛度K＝80 k N／m時加速度反應(yīng)最小。綜上所述，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨剛度的增大呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，在剛度為80 k N／m即U型金屬阻尼器厚度為3 mm時的地震反應(yīng)最小，即減震效果最好。

圖7 不同剛度比時位移和加速度反應(yīng)Fig.7 The displacement and acceleration under different stiffness ratio

3 結(jié)論

本文圍繞圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)體系的工作原理和優(yōu)越性，研究了部分結(jié)構(gòu)基本特性對減震性能的影響規(guī)律，通過計算分析得出以下結(jié)論：

1）地震作用下，圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)柱頂側(cè)移與抗震結(jié)構(gòu)基本相同，但減震結(jié)構(gòu)具有明顯的減小框架柱頂側(cè)移的作用。不同震級下，位移反應(yīng)降低幅度在43.21%～43.52%之間，加速度反應(yīng)降低幅度在45.08%～45.20%之間。

2）圍護墻子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量存在最優(yōu)取值，即墻體厚度、所用材料以及用于減震的墻體數(shù)量應(yīng)進行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)使T MD子結(jié)構(gòu)布置的多一些，且盡量布置在結(jié)構(gòu)頂部。

3）圍護墻子結(jié)構(gòu)的剛度比也存在最優(yōu)取值范圍，本結(jié)構(gòu)模型的最佳剛度為80 k N／m，建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計以便取得更好的減震效果。

［1］張紅彬，何明勝，劉成剛.圍護墻多功能減震結(jié)構(gòu)減震性能研究［J］.石河子大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，27（5）：637－641.

［2］藍宗建，田玉基，曹雙寅，等.巨型框架多功能減振結(jié)構(gòu)體系的減振機理及其減振效果分析［J］.土木工程學(xué)報，2002，35（6）：1－5.

［3］熊世樹，潘琴存，黃麗婷.FPS型T MD振動臺試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及減震效率仿真分析［J］.工程抗震與加固改造，2006，28（5）：63－67.

［4］北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京：人民交通出版社，2006：503－505.

［5］何明勝，石桂菊，張紅彬，等.調(diào)諧質(zhì)量減震技術(shù)的研究及其應(yīng)用前景［J］.石河子大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，28（5）：618－624.

［6］霍曉鵬.一種新型滑移隔震體系的理論分析與研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2007：32～50.

The Experi mental Model Design and Effect Stimulation Analysis of Enclosure Wall Multi－f unctional Vibration－Absorption Structure

SHI Guij u，HE Mingsheng，ZHENG Junwei
（College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，832003，China）

Before the experi mental study of the damped effect of enclosure wall multi－functional vibration－absorption structure，the finite element model is built in SAP2000 wit h the same parameters of testing program and the impact analysis of the fundamental properties to damped effect is processed to discuss the damped principium and damped effect of EWMVS.The findings indicate that the displacement and acceleration of EWMVS decreased 43.41%and 45.12%compared to the ant is eismicstructure which demonstrate the effectiveness of this structure.The substructure should fill the whole structure and the frequency ratio should be closed to 1.0.In the end，the setting principle of EWMVS parameters is proposed which should be optimized when designed in actual engineering.

enclosure wall；damped effect；stimulation analysis；optimized parameters

R337.3

A

1007－7383（2011）03－0352－05

2011－03－09

國家自然科學(xué)基金項目（50868011）

石桂菊（1986－），女，碩士研究生，專業(yè)方向為結(jié)構(gòu)減震控制；e－mail：wusuoweitian＠sina.com。

何明勝（1971－），男，教授，博士，從事組合結(jié)構(gòu)及抗震方面研究；e－mail：h ms1971＠163.co m。