張海龍，李大華

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601 )

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T形芯板摩擦阻尼器在高層鋼框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的研究

張海龍，李大華

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601 )

摘要：在結(jié)構(gòu)上附加耗能減震裝置是結(jié)構(gòu)被動(dòng)控制的一種。T型摩擦阻尼器作為一種新型摩擦耗能裝置，因其在結(jié)構(gòu)中減震時(shí)受到的影響參數(shù)少，所以被廣泛用來(lái)結(jié)構(gòu)的減震隔震。本文通過(guò)對(duì)在高層鋼框架結(jié)構(gòu)中配置T形芯板摩擦阻尼器，在罕見(jiàn)地震作用下的動(dòng)力分析，并應(yīng)用SAP2000軟件對(duì)比分析得到框架結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力響應(yīng)差異，驗(yàn)證了T形芯板摩擦型阻尼器在對(duì)高層鋼框架結(jié)構(gòu)具有很好的耗能減震效果。

關(guān)鍵詞：摩擦型阻尼器;耗能減震;振動(dòng)控制;恢復(fù)力模型;位移相關(guān)性阻尼器;彈塑性時(shí)程分析

0引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求更加趨于抽象、多元化，多層和高層建筑逐漸增多，同時(shí)人們對(duì)建筑物抗震(振)的性能的要求越來(lái)越高，對(duì)于工程中的鋼結(jié)構(gòu)[1]重量輕、強(qiáng)度高、整體剛性好、變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛的應(yīng)用于建筑工程中；由于地震破壞的突發(fā)性、不可預(yù)測(cè)性和鋼框架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜等特點(diǎn)，鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈的震動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生較大的變形，很容易造成節(jié)點(diǎn)的開(kāi)裂和支撐壓曲等震害的發(fā)生。

在對(duì)結(jié)構(gòu)安全抗震的研究中，人們的抗震(振)振動(dòng)控制理念和耗能減震(振)技術(shù)不斷發(fā)展完善，簡(jiǎn)單的抗震方法是利用結(jié)構(gòu)自身的塑性變形來(lái)耗能減震，把結(jié)構(gòu)本身及構(gòu)件作為“消能”裝置，但是作為耗能的裝置產(chǎn)生塑性變形必然使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損壞；根據(jù)振動(dòng)控制設(shè)計(jì)理念，通過(guò)在結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制裝置，由控制機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)一起來(lái)抵御地震等動(dòng)力作用，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小，有很大程度的減少結(jié)構(gòu)的破壞。

1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理念及結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)

1.1結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的設(shè)計(jì)理念

美國(guó)學(xué)者J.T.P Yao首先提出結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制[2]理念:通過(guò)在建筑結(jié)構(gòu)的主要部位配置相關(guān)的振動(dòng)控制裝置,在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到外界激勵(lì)作用時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的減震隔震機(jī)理，減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的能量，使結(jié)構(gòu)的位移等響應(yīng)得到一定的控制，保證結(jié)構(gòu)的正常使用性能，使結(jié)構(gòu)在震(振)動(dòng)時(shí)可以具有一定安全的使用狀態(tài)。

1.2結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的技術(shù)

根據(jù)所采取的控制措施是否需要外部能源的加入為標(biāo)準(zhǔn)可以將振動(dòng)控制分為:主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、混合控制、智能控制。

2摩擦阻尼器的作用機(jī)理及構(gòu)造

2.1耗能減震技術(shù)

現(xiàn)在最常用最有效的耗能減震技術(shù)就是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置具有一定阻尼系數(shù)的阻尼器來(lái)控制結(jié)構(gòu)的震動(dòng)；阻尼器是一種通過(guò)自身裝置在結(jié)構(gòu)中提供一定的阻力來(lái)減少結(jié)構(gòu)震動(dòng)產(chǎn)生的能量耗能減震裝置。

2.2摩擦阻尼器的作用機(jī)理及構(gòu)造

摩擦阻尼器一般布置在結(jié)構(gòu)的X型構(gòu)件支撐上，是依靠結(jié)構(gòu)受到外界強(qiáng)烈激勵(lì)作用時(shí)主要構(gòu)件發(fā)生塑性屈服前達(dá)到的預(yù)定荷載作用時(shí)產(chǎn)生的位移來(lái)減少震動(dòng)影響的一種位移相關(guān)性阻尼器。

早期的摩擦阻尼器是通過(guò)在阻尼器上設(shè)置一定尺寸開(kāi)槽的中間鋼板產(chǎn)生相對(duì)于同時(shí)配有的錯(cuò)開(kāi)銅墊板的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)而耗能的[3]減震隔震構(gòu)造裝置。

在初期摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)理念上研發(fā)出的很多新型的摩擦阻尼器，應(yīng)用最廣泛的就是T形芯板摩擦阻尼器。

T形芯板摩擦阻尼器(如圖1)

圖1　T形摩擦阻尼器

T形芯板摩擦阻尼器是在Pall型阻尼器的基礎(chǔ)上把芯板變?yōu)門形，這樣做的好處在于：

大大降低了弧形螺栓孔的加工量，減少了加工工藝，有利于提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝加工精度；由于它是在粘滯摩擦阻尼器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，可以充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)，T形芯板摩擦阻尼器在位移方面的的控制好于同類型的其他摩擦阻尼器，同時(shí)又可以在大變形的情況下大大減小柱子的軸壓比，可以在一定程度上提高柱子延性，從而控制了柱子在震動(dòng)中的破壞影響。

3框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及分析

3.1T型摩擦阻尼器的受力模型和計(jì)算公式

對(duì)于T型摩擦阻尼器而言，通過(guò)幾何構(gòu)造分析可以發(fā)現(xiàn)，耗能支撐體系為瞬變體系。如果忽略阻尼器幾何位置變化對(duì)支撐桿和阻尼器連桿受力方向的影響，即忽略幾何非線性；簡(jiǎn)化后的T型摩擦阻尼器的受力模型如下圖2所示：

圖2　T型摩擦阻尼器的受力模型

加入了摩擦型阻尼器的結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析的運(yùn)動(dòng)方程[4]為:

(1)

3.2結(jié)構(gòu)模型的建立

對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，選取12層鋼框架結(jié)構(gòu),橫向和縱向均為三跨,每跨跨度為7.2m,首層高是4.2m,2層以上都是3.6m。梁柱采用的構(gòu)件材料都是Q235的H型鋼,1—3層柱截面取750mmx750mmx25mmx30mm,三層以上柱截面取650mmx650mmx22mmx28mm ,所有梁截面的尺寸為600mmx350mmx18mmx25mm。建筑8度設(shè)防,場(chǎng)地類別為II類,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。結(jié)構(gòu)模型如圖3所示：

圖3　結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化圖

3.3計(jì)算參數(shù)的確定

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[5]規(guī)定,同時(shí)根據(jù)鋼框架結(jié)構(gòu)場(chǎng)地類型，進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬選擇適合該地區(qū)地震波，選取EL-Centro波并人工擬合一條地震波來(lái)對(duì)模型進(jìn)行抗震分析，對(duì)于 EL Centro波加速度峰值341.7cm/s2作用時(shí)間取為50s，人工波加速度峰值取值為196.2cm/s2，作用時(shí)間設(shè)為20s。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010) 規(guī)定，分析研究結(jié)構(gòu)的工程特性和阻尼器的布置規(guī)則，考慮結(jié)構(gòu)自身阻尼的影響，取結(jié)構(gòu)自身阻尼比為0.05作為參考值。本抗震試驗(yàn)?zāi)M采用SAP2000軟件進(jìn)行模擬，考慮到摩擦阻尼構(gòu)件自

的阻尼特性以及和結(jié)構(gòu)阻尼的特性選取再進(jìn)行模擬受載時(shí)摩擦型阻尼器的阻尼系數(shù)取4.9*106。

根據(jù)鋼框架結(jié)構(gòu)的受力變形特征以及所要分析的變形和內(nèi)力數(shù)據(jù)結(jié)果，摩擦阻尼器一般布置在結(jié)構(gòu)的X型構(gòu)件上，可以將鋼框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為層間剪力模型，如圖4、5所示：

圖4　層間剪切模型

圖5　T型芯板摩擦阻尼器的布置

本文對(duì)高層框架結(jié)構(gòu)施加摩擦阻尼器在罕見(jiàn)地震作用下的耗能減震進(jìn)行對(duì)比分析，采用兩種不同荷載工況下進(jìn)行動(dòng)力分析，即對(duì)結(jié)構(gòu)不設(shè)置和設(shè)置摩擦阻尼器兩種荷載工況。

3.4動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果

首先通過(guò)SAP2000軟件分析[6]可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)固有頻率和周期等動(dòng)力特性，作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)稱分析的基礎(chǔ)參考和分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的數(shù)據(jù)，下表給出了沒(méi)有設(shè)置T-型摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)前七階振型的自振周期和頻率。如表1所示：

表1　模型的前七階自振周期、頻率

通過(guò)表1可以看出，結(jié)構(gòu)場(chǎng)地特征周期與表中結(jié)構(gòu)主振型周期2.943S不相近，可以判斷出設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)合理。

經(jīng)過(guò)SAP2000軟件的時(shí)程動(dòng)態(tài)分析可得到以下結(jié)果圖形數(shù)據(jù)：

表2　EL-centro波作用下的樓層最大位移

圖6　EL-centro波作用下的樓層最大位移對(duì)比

圖7　人工波作用下的樓層最大位移對(duì)比

樓層123456789101112工況一4786125146151173190208232241237251工況二2546707687108117126132145150157

圖8　EL-centro波作用下邊柱軸力比

圖9　人工波作用下邊柱軸力比

圖10　EL-centro波作用下的邊柱彎矩比

圖11　人工波作用下的邊柱彎矩比

樓層123456789101112工況一781272436789632759215198478643253845332528752534工況二467543253978376434783198290826922433205417211210

表5　人工波作用下邊柱軸力

表6　 EL-centro波作用下的邊柱彎矩

表7　人工波作用下的邊柱彎矩

根據(jù)以上分析得到的數(shù)據(jù)和圖表可以得出在不同波的作用下,工況二下的樓層位移邊柱軸力、彎矩、剪力都比工況一有很大程度的減小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在布置了T型芯板摩擦阻尼器后可以很大程度地控制結(jié)構(gòu)邊柱的位移、彎矩、剪力等內(nèi)力響應(yīng)，減少了結(jié)構(gòu)在受到震動(dòng)作用下的樓層位移、彎曲變形和軸剪應(yīng)力破壞效應(yīng)。

4結(jié)論

本文為了研究摩擦阻尼器在鋼框架結(jié)構(gòu)中的耗能減震作用，通過(guò)采用對(duì)比分析的方法，采用無(wú)控結(jié)構(gòu)和所有樓層都布置摩擦阻尼器時(shí)在罕見(jiàn)地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)地震作用響應(yīng)圖的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中布置T形芯板摩擦阻尼器，其樓層最大位移、層間位移角均比未布置阻尼器時(shí)明顯減小，說(shuō)明T形芯板摩擦型阻尼器可以一定程度上減少結(jié)構(gòu)震動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的位移影響，可以有效保證框架結(jié)構(gòu)的使用安全。

(2)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在受到地震作用下內(nèi)力反應(yīng)圖的觀察比較可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于布置了T型摩擦型阻尼器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力效應(yīng)均比未布置阻尼器結(jié)構(gòu)有很大程度的減少，說(shuō)明T型芯板摩擦型阻尼器在結(jié)構(gòu)受到外界激勵(lì)作用時(shí)對(duì)控制結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)、減少構(gòu)件受力破壞上有很大作用。

(3)本文只是對(duì)T形芯板摩擦阻尼器進(jìn)行研究分析，在今后的研究中，可以采用其他不同作用原理的減震隔震的阻尼器進(jìn)行對(duì)比分析研究，以便對(duì)高層框架結(jié)構(gòu)作出更有參考價(jià)值的減震隔震分析研究，可以更大程度的減少震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，保證高層框架結(jié)構(gòu)在減震隔震方面的研究具有更好的發(fā)展前景。

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Studies on T-shaped Core Plate Frictional Damper in Vibration Control of the High-rise Steel Frame

ZHANG Hailong, LI Dahua

(School of Civil Engineering, Anhui JIANZHU University, Anhui Hefei, 230601)

Abstract:Additional energy consumption structure of shock absorber damping in structure is passive control. T friction damper, as a new type of friction energy dissipation device, has been widely used in shock dissipation and isolation of the structure because it can only be influenced to a low degree By configuring the T-shaped core plate frictional damper in high-rise steel frame structure，under the action of dynamic analysis in the rare earthquake .this paper gets the displacement and internal force response of frame structure through contrastively analysis by the software of SAP2000, Sso as to verify the T-shaped core plate frictional damper has good shock absorptive effect of consumption in the high-rise steel frame structure.

Key words:friction damper; energy dissipation; vibration control; restoring force model; displacement correlation damper; elastic-plastic time-history analysis

中圖分類號(hào)：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2016)01-030-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160107

作者簡(jiǎn)介：張海龍(1988-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)的現(xiàn)代施工技術(shù)。

收稿日期：2015-08-26