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        黏滯阻尼器位移損失對結(jié)構(gòu)減震性能的影響研究

        2021-03-01 07:57:20冉田苒張同億張娜彬
        建筑結(jié)構(gòu) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:小震阻尼比阻尼器

        冉田苒, 石 誠, 張同億, 張娜彬, 黃 明

        (中國中元國際工程有限公司, 北京 100089)

        0 引言

        在實際工程設(shè)計中,由于阻尼器與主體結(jié)構(gòu)連接的支撐剛度是有限的(量級在105kN/m),阻尼器位移在剛度上的損失(簡稱剛度位移損失)不可避免。而阻尼器的位移損失直接影響減震效果。因此,有必要研究位移損失在不同結(jié)構(gòu)類型中、不同地震作用下對減震效果的影響規(guī)律,進而尋求如何使減震結(jié)構(gòu)在不同地震作用下達(dá)到最優(yōu)減震率。這對減震結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化具有重要意義。

        關(guān)于支撐剛度對消能減震結(jié)構(gòu)減震效果的影響,已有學(xué)者對其進行過研究。歐進萍等[1]指出,當(dāng)結(jié)構(gòu)振動頻率和耗能器黏滯阻尼系數(shù)一定時,存在最佳的支撐剛度,使得減震效果達(dá)到最佳。蔣通等[2]指出,支撐與非線性阻尼器的串聯(lián)剛度越大,消能結(jié)構(gòu)位移和剪力的減震效果越好。

        雖然業(yè)界普遍得出了可以通過調(diào)整支撐剛度來提高減震效果的結(jié)論,但是,對于不同地震作用、不同阻尼系數(shù)、不同結(jié)構(gòu)類型下,應(yīng)用黏滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)的減震效果變化規(guī)律和支撐剛度、位移損失之間的關(guān)系,尚缺少深入的論證與總結(jié)[3-9]。

        本文從黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼比公式出發(fā),引入位移損失,進行了基于單自由度體系的理論推導(dǎo)和基于實際工程的模型實例驗證。

        1 理論推導(dǎo)

        帶黏滯阻尼器結(jié)構(gòu)的單自由度基本體系(簡稱基本體系)如圖1所示(ks為主體結(jié)構(gòu)剛度;C為阻尼器的阻尼系數(shù);α為阻尼器的阻尼指數(shù)),因為主要研究對象為阻尼器的附加阻尼,故設(shè)定原結(jié)構(gòu)無模態(tài)阻尼。

        (1)

        式中:kb為支撐剛度;kd為阻尼器Maxwell模型串聯(lián)剛度;ke為等效串聯(lián)剛度(kd與kb串聯(lián)的剛度)。

        圖1 黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)的基本體系

        根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297—2013)[10]中附加阻尼比ζ的計算公式,可以得到基本體系中附加阻尼比ζ的計算公式為:

        (2)

        式中:λ為阻尼指數(shù)的函數(shù);F為阻尼器的最大阻尼力;d為阻尼器最大位移,按式(3)計算;Fs為結(jié)構(gòu)的最大樓層剪力;ds為結(jié)構(gòu)的最大樓層位移。

        d=ds-d損

        (3)

        式中d損為阻尼器的有效位移損失,其由剛度位移損失和變形模式損失兩部分組成,由此可假定:

        (4)

        式中:μ為損失系數(shù),由于阻尼器出力在時程過程中是不斷變化的,因此引入系數(shù)μ對最大阻尼力進行修正;ηd為變形模式損失率,即由于“彎曲型”變形造成的位移損失率。

        將式(3),(4)代入式(2),可得:

        (5)

        因為有:

        Fs=ksds

        (6)

        將式(6)代入式(5),可得:

        (7)

        設(shè):

        (8)

        將式(8)代入式(7),可得:

        (9)

        可見,附加阻尼比ζ是變量x的一元二次方程,且開口向下。因此,ζ存在最大值。當(dāng)ζ取最大值時,有:

        (10)

        將式(8)代入式(10),變換形式寫為:

        (11)

        式中xop為令附加阻尼比ζ取得最大值的x值。

        令:

        (12)

        (13)

        式中:d損ke為最大剛度位移損失,即對應(yīng)于最大阻尼力的等效串聯(lián)剛度上的位移損失;ηke為剛度位移損失率,即對應(yīng)于最大阻尼力的等效串聯(lián)剛度上的位移損失與結(jié)構(gòu)最大層間變形之比。

        將式(13)代入式(7)有:

        (14)

        當(dāng)ζ取最大值時,有:

        (15)

        式中ηke-op為最優(yōu)損失率,即令附加阻尼比ζ取得最大值的剛度位移損失率。

        由式(15)可知,最優(yōu)損失率ηke-op只與變形模式損失率ηd和損失系數(shù)μ有關(guān)。ηd,μ的取值范圍應(yīng)在0和1之間,ηd的取值與結(jié)構(gòu)類型有關(guān),μ的取值與結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有關(guān)。關(guān)于ηd,μ的具體取值問題將另行研究,在此不做深入探討。

        將式(15)代入式(14),可得最優(yōu)附加阻尼比為:

        (16)

        由式(15)可知,當(dāng)阻尼指數(shù)一定時,最優(yōu)附加阻尼比ζmax與等效串聯(lián)剛度和結(jié)構(gòu)剛度的比值(簡稱損失剛度比,定義為y=ke/ks)和變形模式損失率ηd有關(guān)。y越大,ηd越小,則ζmax越大。

        假定阻尼指數(shù)不變(α=0.2),附加阻尼比隨剛度位移損失率ηke變化的曲線如圖2~ 4所示,分別研究了損失剛度比y、變形模式損失率ηd、損失系數(shù)μ對附加阻尼比隨ηke變化規(guī)律的影響。

        由圖2~4可以看出:1)隨損失剛度比y增大,最優(yōu)損失率ηke-op不變,最優(yōu)附加阻尼比ζmax增大;2)變形模式損失率ηd越大,則ηke-op越小,ζmax越?。?)損失修正系數(shù)μ越大,則ηke-op越小,ζmax越小。

        2 實際工程模型

        本文采用的模型來自新疆某醫(yī)院工程,采用ETABS軟件建模[11]??蚣芙Y(jié)構(gòu)模型和框剪結(jié)構(gòu)模型概況如表1和圖5、圖6所示??拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.2g),場地特征周期為0.45s。阻尼器支撐采用人字撐形(簡稱人字撐)布置與墻式布置(圖7,8)。人字撐截面為□300×300×12,側(cè)向剛度為2.95×105kN/m;支撐墻截面厚度為300mm,寬度4 100mm,剪跨比小于1。

        圖2 損失剛度比y對ζ-ηke曲線變化規(guī)律的影響(ηd=0,μ=1)

        圖3 變形模式損失率ηd對ζ-ηke曲線變化規(guī)律的影響(y=1, μ=1)

        圖4 損失系數(shù)μ對ζ-ηke曲線變化規(guī)律的影響(y=1, ηd=0)

        圖5 框架結(jié)構(gòu)模型

        圖6 框剪結(jié)構(gòu)模型

        圖7 框架結(jié)構(gòu)模型阻尼器布置

        模型概況 表1

        圖8 框剪結(jié)構(gòu)模型阻尼器布置

        算例的地震激勵采用兩條天然波(天然波1、天然波2)和一條人工波,其多遇地震反應(yīng)譜如圖9所示。分別計算不同地震作用、不同阻尼系數(shù)下減震結(jié)構(gòu)的最大層間位移角減震率θ(簡稱減震率θ,框架結(jié)構(gòu)基于第2層,框剪結(jié)構(gòu)基于第5層),并用1節(jié)理論推導(dǎo)的結(jié)論對其進行分析。減震率θ的定義如下:

        (17)

        式中:d有控為有控結(jié)構(gòu)的層間位移角;d無控為無控結(jié)構(gòu)的層間位移角。

        圖9 地震波反應(yīng)譜

        3 計算結(jié)果

        固定阻尼指數(shù)α不變(α=0.3)時,分別計算框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震作用下X向減震率θ隨阻尼系數(shù)C的變化。計算結(jié)果如圖10,11所示。

        由圖10,11可以看出,隨阻尼系數(shù)C的增加,減震率θ呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。小震、中震、大震作用下,最優(yōu)減震率θmax對應(yīng)的阻尼系數(shù)C逐漸增加,但θmax基本保持不變??蚣艚Y(jié)構(gòu)的θmax明顯小于框架結(jié)構(gòu)的θmax。

        減震率θ隨地震作用的變化趨勢和阻尼系數(shù)C有關(guān)。當(dāng)阻尼系數(shù)C較小時,減震率θ隨地震作用的增大而減小(小震下減震率θ最大);隨阻尼系數(shù)C的增加,其規(guī)律逐漸過渡到減震率θ隨地震作用的增大先增后減(中震下減震率θ最大),直至減震率θ隨地震作用的增大逐漸增大(大震下減震率θ最大)。

        圖11 框剪結(jié)構(gòu)模型減震率θ隨阻尼系數(shù)C的變化規(guī)律

        可以看出,在進行減震結(jié)構(gòu)設(shè)計時,若僅追求小震作用下減震率θ最大,則中震、大震作用下的減震率θ將遞減,可能造成減震結(jié)構(gòu)在中震、大震作用下的安全儲備減少。因此,應(yīng)綜合小震、中震、大震的減震效果進行設(shè)計。如將小震、中震的減震率θ調(diào)節(jié)至近似,此時雖然小震作用下的減震效果不是最優(yōu),但中震、大震作用下的減震效果增強,提高了結(jié)構(gòu)在中震、大震作用下的安全儲備。

        4 計算結(jié)果分析

        在單自由度體系的理論推導(dǎo)中,主要依靠附加阻尼比ζ來評價減震效果,而附加阻尼比ζ和減震率θ為正相關(guān)。因此,可以用附加阻尼比ζ的變化規(guī)律對減震率θ的變化規(guī)律進行分析。

        4.1 阻尼系數(shù)對減震率的影響分析

        當(dāng)?shù)卣鹱饔貌蛔儠r,隨阻尼系數(shù)C增加,阻尼器出力F顯著增大,而結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)ds的變化相對而言并不顯著。因此,由式(13)可知,剛度位移損失率ηke隨阻尼系數(shù)C增大而增大,逐漸接近最優(yōu)減震率ηke-op,直至越過ηke-op。因此減震率θ隨阻尼系數(shù)C增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

        當(dāng)?shù)卣鹱饔迷黾訒r,由于結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)ds增加,需要更大的阻尼器出力F才能使ηke達(dá)到ηke-op,故小震、中震、大震作用下最優(yōu)減震率θmax對應(yīng)的C逐漸增大。

        由式(16)可知,最優(yōu)阻尼比ζmax與地震作用無關(guān)。實際工程算例中,小震、中震、大震作用下的最優(yōu)減震率θmax基本不變,與式(16)相契合。

        同樣由式(16)可知,損失剛度比y越小、變形模式損失率ηd越大,則最優(yōu)阻尼比ζmax越小。這解釋了算例計算結(jié)果中框剪結(jié)構(gòu)的最優(yōu)減震率θmax相對框架結(jié)構(gòu)較小(框架結(jié)構(gòu)θmax為50%左右,而框剪結(jié)構(gòu)θmax為30%左右)的原因,即:框剪結(jié)構(gòu)相對框架結(jié)構(gòu)的y較小,ηd較大。本例中,框剪結(jié)構(gòu)的各層平均損失剛度比y為0.37,而框架結(jié)構(gòu)的各層平均損失剛度比y為1.64。

        圖12 C較小時,地震作用變化對應(yīng)的損失率及附加阻尼比變化

        圖13 C適中時,地震作用變化對應(yīng)的損失率及附加阻尼比變化

        圖14 C較大時,地震作用變化對應(yīng)的損失率及附加阻尼比變化

        4.2 地震作用對減震率的影響分析

        根據(jù)式(13),對于黏滯阻尼器的剛度位移損失率,有:

        (18)

        式中:w為結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)圓頻率;v為阻尼器的速度;d為阻尼器的位移。

        隨地震作用的增加,結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)ds增加,但對于非線性黏滯阻尼器(0<α<1),阻尼器出力F隨ds的增加并不明顯。因此,由式(18)可知,隨ds增加,非線性黏滯阻尼器的剛度位移損失率ηke將減小。

        以上述框架結(jié)構(gòu)模型為例,用支撐的總側(cè)向剛度除以結(jié)構(gòu)層側(cè)移剛度的平均值,可以得到其各層平均損失剛度比y=1.64。假定損失系數(shù)μ=0.7,變形模式損失率ηd=0.3,可以根據(jù)式(14)畫出對應(yīng)的單自由度體系的附加阻尼比ζ隨剛度位移損失率ηke變化的曲線,如圖12~14所示。

        由4.1節(jié)中的論述可知,剛度位移損失率ηke與阻尼系數(shù)C正相關(guān)。因此,當(dāng)阻尼系數(shù)C較小時,小震下的剛度位移損失率ηke將小于最優(yōu)損失率ηke-op。此時,隨地震作用增加,剛度位移損失率ηke減小,逐漸遠(yuǎn)離最優(yōu)損失率ηke-op,附加阻尼比ζ隨地震作用的增大而減小,如圖12所示。

        當(dāng)阻尼系數(shù)C逐漸增大時,小震作用下的剛度位移損失率ηke逐漸增大,直至大于最優(yōu)損失率ηke-op。此時,隨地震作用增加,剛度位移損失率ηke減小,逐漸接近最優(yōu)損失率ηke-op,直至小于最優(yōu)損失率ηke-op,最后逐漸遠(yuǎn)離最優(yōu)損失率ηke-op,附加阻尼比ζ隨地震作用的增大先增大后減小,如圖13所示。

        當(dāng)阻尼系數(shù)C足夠大時,大震下的剛度位移損失率ηke將大于最優(yōu)損失率ηke-op,此時小震、中震、大震作用下,剛度位移損失率ηke將一直處于逐漸接近最優(yōu)損失率ηke-op的過程中,附加阻尼比ζ隨地震作用的增大而增大,如圖14所示。

        5 結(jié)論

        本文通過引入基于單自由度基本體系的位移損失理論推導(dǎo)和基于實際工程的參數(shù)數(shù)值分析,得到的主要結(jié)論如下:

        (1)在基本體系中,存在最優(yōu)損失率ηke-op,使得當(dāng)剛度位移損失率ηke=ηke-op時,附加阻尼比ζ取得最優(yōu)值ζmax。ηke-op的取值與損失剛度比y、變形模式損失率ηd有關(guān)。

        (2)最優(yōu)附加阻尼比ζmax與損失剛度比y和變形模式損失率ηd有關(guān)。損失剛度比y越大,變形模式損失率ηd越小,則最優(yōu)附加阻尼比ζmax越大。

        (3)實際工程算例中,隨阻尼系數(shù)C的增加,減震率θ先增大后減小。最優(yōu)減震率θmax隨地震作用變化不明顯。框剪結(jié)構(gòu)的θmax明顯小于框架結(jié)構(gòu)的θmax。

        (4)當(dāng)阻尼系數(shù)C較小時,附加阻尼比ζ隨地震作用的增大逐漸減??;當(dāng)阻尼系數(shù)C適中時,附加阻尼比ζ隨地震作用的增大先增大后減小;當(dāng)阻尼系數(shù)C較大時,附加阻尼比ζ隨地震作用的增大逐漸增大。

        (5)實際工程算例中得到的減震率θ變化規(guī)律,均與基本體系中附加阻尼比ζ的變化規(guī)律相契合。可基于式(14)~(16)推斷減震率θ的變化規(guī)律。

        (6)在進行減震結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)綜合小震、中震、大震作用下的減震效果進行設(shè)計,保證減震結(jié)構(gòu)在中震、大震作用下的安全儲備。避免因片面追求小震下的減震效果而導(dǎo)致中震、大震作用下的安全儲備降低。

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