武曉輝 劉瑜新

(1.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454750; 2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000)

1 概述

近年來的破壞性地震和颶風使我們深刻的認識到即使是在一個先進的工業(yè)國家，建筑環(huán)境仍然嚴重的受到自然災害的影響。為了有效地降低這種影響，并提升結構工程的穩(wěn)定性，需要對其抗震控制進行合理地設計[1]。目前結構控制方式分為不同的類型，例如有主動控制、被動控制等方式[2]。20世紀50年代開始出現(xiàn)了粘滯流體阻尼器，并逐步將其應用到了建筑工程中，其在減振方面作用明顯，當出現(xiàn)地震時，阻尼器能夠減小建筑結構的位移與速度峰值，能夠有效地提升建筑結構的強度和穩(wěn)定性[3]。受到地震的影響，建筑結構的動力參數(shù)容易出現(xiàn)攝動，此時系統(tǒng)固有頻率和結構受控頻率之間的調諧會引起飄移[4]。因此可以通過多重粘滯流體阻尼器技術來提升結構控制的頻帶寬度和魯棒性。相關研究表明，建筑結構在受到強震的影響時，其結構本身會同時發(fā)生平移和扭轉振動，使得動力作用明顯地增大，容易對建筑結構造成更大的破壞[5]。本文通過設置粘滯流體阻尼器，以達到控制結構平動與扭轉振動。

2 工程概況

本文的主要研究對象是高層煤氣化結構的工業(yè)廠房，其長、寬、高參數(shù)分別是55.7 m，18.1 m，63.9 m，整個廠房總共有12層，其中第1層與第10層之間的結構都是鋼筋混凝土，而其他兩層是鋼結構，每一層的高度都處于4 m～9 m范圍內。此廠房抗震設防烈度達到了7度，屬于二類場地，設計的基本地震加速度是0.15g。通過試驗數(shù)值模擬研究，現(xiàn)將粘滯流體阻尼器，安裝在第1層～第7層中間跨上，斜向布置，根據(jù)布置方案共設置粘滯流體阻尼器消能支撐43支。其三維實體模型如圖1所示，粘滯流體阻尼器布置圖如圖2所示，鋼支撐布置圖如圖3所示。

3 粘滯流體阻尼器選型及模態(tài)分析

阻尼力表示如下[6]：

(1)

其中，sgn為函數(shù)符號；α為流量修正系數(shù)(速度指數(shù))。

圖4中即為雙出桿型粘滯流體阻尼器的外形圖。

說明：阻尼器總長L是指活塞處于平面位置時，兩耳環(huán)的中心距，總長可根據(jù)具體情況另行設計，通?？傞LL=L1+L2+5×φd+5×1.2×s，其中,s為極限位移。由總長計算公式，選擇的阻尼器具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)布置方案共設置粘滯流體阻尼器消能支撐43支。

表1 阻尼器的參數(shù)

對于粘滯流體阻尼器來說，如果其固有頻率低于3 Hz時，即屬于一種無剛度阻尼器，此時阻尼器安裝在結構中并不改變結構的原有剛度，只對結構體統(tǒng)附加阻尼，形成流體阻尼器對結構的控制力[7]。在地震作用下，一般工程的振動均為低頻振動，振動頻率小于3 Hz，因此能夠適用于上述情況。

所有結構材料都使用了線彈性材料，然后進行模態(tài)分析的過程，并得到了圖5中展示的前五階模態(tài)圖，基于此可有效地對結構的固有頻率等振動特征進行描述。通過圖5可看到不同階的變形特征，其中一、二階模態(tài)都是平動變形，但前者是東西方向，后者是南北方向。第三階是扭轉變形，第四、五階都是二階平動變形。

4 結構振動減振設計

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

不同情況下的自振頻率見表2。

表2 結構在四種情況下的自振頻率

5 結構的瞬態(tài)動力學分析

5.1 地震波的選取

表3 計算模型

模型模型組成建模目的M1煤氣廠房結構研究地震對主結構的影響M2加設鋼支撐模型研究鋼支撐對結構的影響M3加設粘滯流體阻尼器模型研究粘滯流體阻尼器對結構的影響M4加設粘滯流體阻尼器和鋼支撐研究粘滯流體阻尼器與鋼支撐共同作用對結構的影響

在實驗過程中首先需要加載地震波，通過對其水平分量的處理就能夠獲得加速度標準反應譜，使其能夠更好地體現(xiàn)出地震波對各個自振周期單質點體系的最大反應。地震波的持續(xù)時間還需要滿足一定的條件，一般需要保持在12 s以上，其間隔一般設置為0.01 s或者是0.02 s[9]；本文中經過分析之后將其持續(xù)時間與間隔時間分別設置為19 s與0.01 s。然后采用遷安波、天津波對結構進行二階段地震彈塑性反應分析。此時得到的地震波即為圖6。

表4 地震作用下結構在各頂層最高點位移最大值 mm

5.2 振動控制效果分析

計算模型及振動控制效果見表3，表4，圖7～圖12。

6 結論

1)從表4，圖7，圖8能夠明顯的看到：a.地震波對于廠房造成了明顯的影響，各個模型的變化特征大體一致，位移峰值與層數(shù)趨近于線性關系，由此可以證明建筑結構發(fā)生的是彈性變形過程。b.兩組地震波作用下，添加粘滯流體阻尼器和鋼支撐后結構的位移峰值降幅最大，單獨添加粘滯流體阻尼器次之，單獨添加鋼支撐對廠房減振作用最小,且有時會增大結構的位移。c.當添加粘滯阻尼器時位移峰值降幅達53.7%，對結構的平動抑制較強。

2)由圖9，圖10可知，在地震作用下添加鋼支撐結構位移和速度有時會大于原結構的位移和速度，對結構振動有不利影響。在新結構中加入粘滯流體阻尼器后的位移、速度峰值都明顯地降低，可以證明其在減振方面能夠發(fā)揮較大的作用。

3)如果作用的地震波不一樣，結構的地震時程響應也不相同，由于結構基本頻率與遷安波的頻率較接近[10]，故粘滯流體阻尼器的控制效果相對更好。

4)模型M4的峰值略小于模型M3的峰值，證明單一的粘滯流體阻尼器可達到抑制結構的平動目的，且能夠降低結構的自重，并可節(jié)約部分鋼材。

5)相對于原始時程曲線和單獨加設鋼支撐的時程曲線，添加粘滯流體阻尼器之后的曲線表現(xiàn)出更加明顯的滯后性特征，如圖11，圖12所示。并且在天津波作用下，結構的角位移和角加速度峰值分別降低39.2%和48.9%；在遷安波作用下，結構的角位移和角加速度峰值分別降低23.3%和31.5%。故結構的角位移和角加速度得到了較好的控制。由此表明，粘滯流體阻尼器對結構在地震作用下的扭轉振動控制效果也較好。