粘滞阻尼器对钢框架结构地震响应的影响

粘滞阻尼器对钢框架结构地震响应的影响

唐远松

中铁广州工程局集团深圳工程有限公司  广东深圳 518132

摘要：为了研究粘滞阻尼器对钢框架结构减震响应的影响，文章阐述了粘滞阻尼器的工作原理，设计了有限元模型与减震方案，运用有限元软件在某六层钢框架建筑中不同位置设置粘滞阻尼器，选取EL-Centro波和Kobe波总结了结构抗震响应规律，以供参考。

关键词：钢结构；框架结构；粘滞阻尼器；结构抗震

前言：钢框架是钢结构体系中重要的结构形式，由于钢材具备较高的抗拉性、抗剪强度，且其自重较轻，使得钢框架结构可以在兼顾建筑内部空间的基础上保持较大的刚度，因此被广泛应用于建筑、桥梁等公共建设领域。由于我国靠近地震板块交界处，地震活动频发，虽然钢框架结构的整体刚度较大，但传统抗震设计仅依靠结构构件本身的承载力和变形能力对受到的地震冲击能量进行消散，很容易造成不可逆的结构损伤，留下安全隐患，因此对布置阻尼器的钢框架结构进行减震控制研究具有重要意义。

1粘滞阻尼器的工作原理

1.1粘滞阻尼器力学性质

粘滞阻尼器由主缸体、活塞及活塞杆、阻尼孔和粘滞流体等部分组成，常见的阻尼器结构形式分为缸式、筒式和阻尼墙三种。粘滞阻尼器的工作基于流体运动原理，在外界激励条件下，阻尼器中的粘滞介质受压缩力的作用，被迫进入活塞孔洞产生阻尼力，以达到耗能吸能的目的。因此，粘滞阻尼器本身不为结构体系提供刚度，仅表现为纯粘滞特性的力学性质，输出纯阻尼力以平衡地震作用，达到结构减震的效果。

1.2粘滞阻尼器计算模型

粘滞阻尼器计算模型主要有Kelvin模型、Maxwell模型、四参数模型等，本研究采用Maxwell模型进行计算分析。一阶Maxwell模型忽略粘滞阻尼器工作过程中的蠕变特性，能有效表示阻尼器储能模量的变化情况。粘滞阻尼器的力学计算公式如式（1）所示。

（1）

式（1）中：Fd为阻尼力；Cd为广义阻尼系数；ud为质点水平位移；为对应位移时的速度；θ为阻尼器和水平面的夹角；a为速度指数，在实际工程应用中，为了实现阻尼器在地震作用下的最佳耗能效果，大多采用a≤1的粘滞阻尼器，当a＝1时，粘滞阻尼力的输出与速度呈线性相关。

2有限元模型与减震方案设计

2.1有限元计算模型

本文采用ABAQUS建立结构三维计算模型，针对算例选取某六层钢框架结构建筑，基本数据如下：框架柱规格为HW500×400×45/70；框架梁规格为HM440×300×11/18；次梁规格为HN400×150×8/13；钢材型号Q235；一层层高4.5m，其余各层的层高为3.0m；地面粗糙程度为A类；抗震设防烈度为7度；场地类别为II类。平面布置如图1所示，有限元模型如图2所示。

图1平面布置图           图2有限元模型

在设置粘滞阻尼器后，该钢框架结构在地震作用下的运动微分方程为如式（2）所示。

（2）

式（2）中：［M］为质量矩阵；［C］为阻尼矩阵；［K］为刚度矩阵；［H］为粘滞阻尼器控制力作用位置矩阵；｛F（t）｝为粘滞阻尼器控制力向量；｛x（t）｝为节点位移向量。

对算例结构进行模态分析，得到的结构自振周期如表1所示。

表1结构自振周期（s）

2.2粘滞阻尼器布设方案

本研究设置的粘滞阻尼器基于Maxwell模型，计算中不考虑粘滞阻尼器对钢框架结构整体刚度的影响。粘滞阻尼器输入参数如下：等效刚度为10kN/mm；等效阻尼为1.0（kN·s）/mm；阻尼指数为0.5。在框架结构中，阻尼器一般布设于结构薄弱层或层间位移最大处，以达到最佳的减震消能效果。在本算例中，根据地震波加载特性以及钢框架结构的受力特点，粘滞阻尼器布设方案如表2所示，布设位置如图3所示。

图3阻尼器布设方案

表2粘滞阻尼器布设方案

2.3地震波选取

在地震作用下，钢框架建筑的结构响应以第一阶振型最为明显。为了研究粘滞阻尼器对钢框架结构在罕遇地震下的减震耗能效果，本研究仅对算例结构施加南北向地震波，选取加速度峰值较大的EL-Centro波和Kobe波，分别对三个方案中的钢框架结构施加地震激励，对比粘滞阻尼器在不同布设方案下的结构层间位移和加速度响应。地震波的数据源于太平洋地震工程 中心，EL-Centro波和Kobe波的南北向加速度时程曲线 分别如图4、图5所示。

图4 EL-Centro地震波加速度时程曲线          图5 Kobe地震波加速度时程曲线

3结构抗震响应规律

对算例六层钢框架输入南北向的EL-Centro波和Kobe波激励，选取层间位移最大的结构顶层A1节点作为减震控制对象。为了使计算结果更加直观，本研究中采用减震率作为粘滞阻尼器对钢框架结构减震的评价指标，定义减震率评价指标的计算方法如式（3）和式（4）。

（3）

（4）

式（3）和式（4）中：ηa、ηx分别为顶层A1节点加速度及位移减震率；a1，max、an，max分别为不同方案下顶层A1节点加速度响应峰值的绝对值；Δ1，max、Δn，max分别为不同方案下顶层A1节点层间位移响应峰值的绝对值。

3.1加速度响应时程

结构顶层A1节点对不同地震激励的加速度响应峰值及减震率如表3所示,水平加速度响应时程曲线 分别如图5、图6所示。

表3结构顶层节点水平加速度峰值及减震率

图5 EL-Centro波激励下的结构加速度响应  图6 Kobe波激励下的结构加速度响应

据计算结果表明，相较于不布置粘滞阻尼器的方案1、方案2和方案3中的算例结构在EL-Centro波激励下的结构加速度响应峰值均为44Gal，减震率达78.9%。而Kobe波在方案2中仍有良好的减震效果，加速度响应峰值为23.6Gal，减震率达66.7%，方案3的减震率仅为14.4%。

通过分析结构的加速度响应数据可知，粘滞阻尼器能够在很大程度上减少结构的加速度响应，但由于不同地震波特征周期和频谱特性的差异，粘滞阻尼器对不同地震波的减震效果也不一致。EL-Centro波的峰值加速度较小，Kobe波的地震加速度峰值更大且更集中，粘滞阻尼器对EL-Centro波的加速度响应减震效果要明显好于Kobe波。粘滞阻尼器的布设位置对EL-Centro波激励下的加速度响应减震效果无明显作用，但在Kobe波的激励下，方案2的布设位置要明显优于方案3，原因是方案2中的粘滞阻尼器靠近地震作用激励点，可以在第一时间削弱Kobe波短时高峰的地震加速度作用。

3.2位移响应时程

结构顶层A1节点对不同地震激励的位移响应峰值及减震率如表4所示,如图7、图8所示。计算结果表明，粘滞阻尼器可以在一定程度上降低EL-Centro波和Kobe波激励下的位移响应，但效果有限。在EL-Centro波激励下，方案2和方案3中结构的位移响应峰值均降低2mm左右，在Kobe波的激励下位移响应峰值均降低6mm左右。粘滞阻尼器的布设位置对于层间位移的减震效果无明显影响，减震率均在5%左右。

表4结构顶层节点层间位移峰值及减震率

图7 EL-Centro波激励下的位移响应         图8 Kobe波激励下的位移响应

原因在于，算例中的六层钢框架结构的整体刚度较大，且结构本身具有一定的抗震能力。粘滞阻尼器不同于调谐质量阻尼器，粘滞阻尼器只输出纯阻尼力，无法改变结构共振特性，因此对结构位移响应的减震效果十分有限。

结论：

通过对不同粘滞阻尼器布置方案下钢框架结构受地震作用影响的研究，分析钢框架结构在罕遇地震作用下的动力响应规律，得到如下结论。在钢框架结构中布置粘滞阻尼器可以有效降低结构地震响应，但粘滞阻尼器对不同频谱特性下的地震波减震效果存在一定差异，本算例中粘滞阻尼器对EL-Centro波的减震效果好于Kobe波；粘滞阻尼器对地震作用下钢框架结构的加速度响应有明显的减震效果，但对位移响应的减震效果有限；粘滞阻尼器的布设位置对钢框架结构的消能减震能力有一定的影响，将粘滞阻尼器布置于钢框架结构中下部的减震效果要好于将其布置于结构中上部。

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