粘弹性阻尼墙及其高层建筑结构风振控制性能研究

粘弹性阻尼墙及其高层建筑结构风振控制性能研究

赵海强1刘学建2

1.呼和浩特市政府投资非经营性项目代理建设办公室呼和浩特010020；

2.内蒙古第三电力建设工程有限责任公司包头014000）

摘要：粘弹性阻尼墙是一种新型的粘弹性阻尼器。本文根据已有文献记录，选取适当的粘弹性材料性能参数。基于Kelvin模型建立粘弹性阻尼墙的分析模型。以一栋36层的框架剪力墙结构为研究对象，利用ABAQUS有限元软件建立安装和未安装粘弹性阻尼墙结构的有限元模型。利用AR模型（自回归模型）生成人工风速时程，通过对两种结构进行风振时程分析，比较两种结构在受到风荷载激励下的响应。结果表明，粘弹性阻尼墙可以有效减小结构风振响应，改善结构的舒适度

关键词：粘弹性阻尼墙；框架剪力墙结构；风振时程分析

0概述

粘弹性阻尼器则是最早的一类成功安装在高层建筑和其他结构上的用于减小结构地震和风振响应的被动耗能元件。粘弹性阻尼器具有力学性能稳定、耗能能力强、构造简单、经济实用等优点。

1研究现状

1.1粘弹性阻尼器的研究与应用

1969年，美国3M公司的Mahmoodi研制出第一种用于土木工程领域振动控制领域的粘弹性阻尼器[1]。1991年至1993年，美国的Chang等对3M公司生产的粘弹性阻尼器进行了力学性能试验，指出影响粘弹性阻尼器的力学性能的主要因素主要有环境温度，加载幅值，加载的循环圈数以及激励频率等[2][3]。1998年至1999年，吴波，欧进萍等分别对国产的粘弹性阻尼器进行了试验研究[4][5]。试验确定了国产的几种粘弹性阻尼器的力学性能，并指出了国产粘弹性阻尼器的不足，提出了改进建议。

1.2粘弹性阻尼墙的构造特点

基于粘弹性阻尼器的优点，粘弹性阻尼墙体充分利用建筑结构墙体所提供的空间，可以通过增加粘弹性材料面积来提供所需求的阻尼比以提高耗能能力，并且在所有的振动条件下都能进行耗能，即使在较小的振动条件下，也能够获得良好的耗能能力；粘弹性阻尼墙体力学模型简单，分析设计方法明确易行；在不同的加载频率和循环次数下，粘弹性阻尼墙体动力性能稳定、耗能能力强。

2安装粘弹性阻尼墙结构风振性能分析

2.1粘弹性阻尼墙的恢复力模型

本文使用Kelvin模型模拟粘弹性阻尼器的力学性能，并假设忽略温度对粘弹性材料的影响。建筑结构内的环境温度较为稳定，且有研究表明，粘弹性阻尼材料的疲劳温升对其性能影响不大[错误！未定义书签。]。

2.2有限元模型简介

（1）建筑结构概述

某高层商用写字楼，高度为166m，地上36层，地下室3层，主要用作停车场，部分用作设备用房。地下室大底板结构标高为-12.8m。结构设计基准期为50年，安全等级为2级，抗震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.2g，场地土特征周期为0.45s。当地重现期为50年的基本风压为0.45kN/m2。

结构为框架—剪力墙筒体结构。外框柱为型钢混凝土柱，内筒由钢筋混凝土剪力墙组成。

（2）材料本构模型

粘弹性阻尼墙使用SPRING/DASHPOT单元模拟。根据给定的粘弹性材料的参数，阻尼墙尺寸及结构的一阶自振频率ω=1.8563rad/s，计算得到一片粘弹性阻尼墙的等效刚度系数k'=4.8×108N/m，等效阻尼系数c'=9.81×107N·s/m。粘弹性阻尼墙与结构的连接部件的刚度按照《建筑抗震设计规范》（GB50010-2010）12.3.5节规定，由式5计算得到支撑的刚度Kb=2.83×109N/m。连接件使用T3D2两节点三维桁架单元模拟。

（1）

2.3风速时程及风荷载时程模拟

近年来，线性滤波法中的自回归（AR）模型因其计算量小、速度快，在脉动风速时程的数值模拟中得到了广泛的应用[7]。

（1）风速模拟参数

风速模拟参数如表1所示。模拟风速功率谱采用Davenport谱。上截止频率为100Hz，下截止频率为0.00001Hz最终人工风速时程为平均风速与脉动风速之和。风速时程样本时长取105.4s，其中前三秒为缓冲步。计算时间步长Δt=0.1s，计算总步数为1055步。

（2）加载方式

在有限元模型中，模拟风速点为5.75，10.95，16.15，21.95，26.15，30.35，34.55，38.75，42.95，47.15，51.35，55.55，59.75，63.95，68.15，72.35，76.55，80.75，84.95，89.15，93.35，97.55，101.75，105.95，110.15，114.35，118.55，122.75，126.95，131.75，136.55，141.35，146.15，150.6，156.9，161（单位：m）处，每层加载点在每层楼板平面内。每个空间点的迎风面积取相邻两层xz面中心线之间的面积。

2.4模态分析结果

安装阻尼墙对结构的振动特性影响不大，一阶频率仅提高了1%，可见阻尼墙的附加刚度对结构自身的振动特性影响较小。

2.5结构顺风向风振时程分析结果

通过Matlab编程算出每层节点的脉动风速时程v（t）。将脉动风速时程变换到频域当中，并且采用双对数坐标进行目标谱与模拟谱的比较，可以看出模拟谱与目标谱吻合良好。

参考文献：

[1]MahmoodiP.Structuraldampers[J].JournalofStructuralDevision，ASCE，1969，95（8）：1661-1672.

[2]ChangKC，SoongTT，OhS-T，LaiML.SeismicResponseofa2/5ScaleSteelStructurewithAddedViscoelasticDampers[R].TechnologyReportNCEER-91-0012，DepartmentofCivilEngineeringStateUniversityofNewYorkatBuffalo，Buffalo，NewYork14260，1991.

[3]ChangKC，LaiML，HaoDS，YehYC.SeismicBehaviorandDesignGuidelinesforSteelFrameStructureswithAddedViscoelasticDamper[R].NCEER93—0009，NationalCenterforEarthquakeEngineeringResearch，Buffalo，USA，1997.

[4]吴波，郭安薪.粘弹性阻尼器的性能研究[J].地震工程与工程振动，1998，18（2）：108-116.

[5]欧进萍，邹向阳.粘弹性耗能器的性能实验研究[J].振动与冲击，1999，18（3）：12-19.