附加非線性粘滯阻尼器加固結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析

羅 鵬 羅蘇平 謝長余

(海南省洋浦開發(fā)建設(shè)控股有限公司，海南省洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū) 578101)

附加非線性粘滯阻尼器加固結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析

羅 鵬 羅蘇平 謝長余

(海南省洋浦開發(fā)建設(shè)控股有限公司，海南省洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū) 578101)

結(jié)合粘滯阻尼器的力學(xué)模型，介紹了粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法，并以某幼兒園工程為例，探討了附加非線性粘滯阻尼器加固結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，指出通過附加粘滯阻尼器達(dá)到了降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)抗震性能的效果。

粘滯阻尼器，結(jié)構(gòu)，彈塑性時(shí)程分析，模型

0 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，新建建筑數(shù)量在逐年減少，加固改造工程需求量日益增多。對于現(xiàn)有建筑的加固改造一方面通過加固結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件增加抗力來達(dá)到加固改造的目的；另一方面，通過添加減震隔震裝置減小地震作用下的外力來達(dá)到加固改造的目的。

粘滯阻尼器能夠最大限度地吸收和消耗地震對建筑結(jié)構(gòu)的沖擊能量，大大緩解了地震對建筑結(jié)構(gòu)造成的沖擊和破壞。

1 粘滯阻尼器的力學(xué)模型

關(guān)于粘滯阻尼器的力學(xué)模型，國內(nèi)外都有大量學(xué)者對其進(jìn)行了研究。根據(jù)不同類別的阻尼器提出了不同的力學(xué)模型，如Kelvin模型、線性模型和分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)模型等。粘滯阻尼器通常是一種速度相關(guān)型阻尼器，它的出力往往與阻尼器的相對速度密切相關(guān)，因此利用Maxwell模型的“阻尼器—?jiǎng)偠冗B續(xù)化”理論，可建立一種能精確反映粘滯阻尼器性能的力學(xué)模型。在該模型中阻尼單元與“彈簧”單元串聯(lián)，阻尼力的表達(dá)式：

2 粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法

根據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：一般情況下，消能減震結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算宜采用靜力非線性分析或非線性時(shí)程分析方法。文獻(xiàn)[1][2]給出了一個(gè)計(jì)算程序用于粘滯阻尼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析，促進(jìn)了粘滯阻尼器在實(shí)際工程中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]～[7]對靜力非線性分析的基本原理、側(cè)向荷載的加載模式以及能力譜和需求譜的建立等問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。文獻(xiàn)[8]～[12]較深入的研究了減震結(jié)構(gòu)的能量分析方法，給出了減震結(jié)構(gòu)的能量方程并提出了簡單有效的能量設(shè)計(jì)步驟。文獻(xiàn)[13]對粘滯阻尼器結(jié)構(gòu)在多遇地震下層間剪力的分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并對消能減震的抗震設(shè)計(jì)方法給出了建議。文獻(xiàn)[14]通過理論分析結(jié)合大量數(shù)值模擬，得出了線性粘滯阻尼消能減震結(jié)構(gòu)的分析模型和非線性粘滯消能器兩端的相對水平位移幅值與所在層的層間位移幅值之間的關(guān)系，總結(jié)給出了考慮支撐變形時(shí)安裝非線性粘滯消能器結(jié)構(gòu)的實(shí)用抗震設(shè)計(jì)步驟。文獻(xiàn)[15]詳細(xì)闡述了安裝粘滯阻尼器消能減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理及方法。

3 工程案例分析

某幼兒園工程，屬于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地面3層，總面積2 500 m2。根據(jù)相關(guān)規(guī)定全國中小學(xué)建筑抗震設(shè)防類別從丙類提高為乙類，該鋼筋混凝土框架的抗震等級也從三級提高為二級。在圖2中每層加粗位置布置阻尼器，支撐為人字形式，粘滯阻尼器的類型有三類，如表1所示。

表1 粘滯流體阻尼器參數(shù)

樓層阻尼器類型阻尼指數(shù)α阻尼系數(shù)CkN·m/s最大行程mm最大阻尼力kN數(shù)量1A0.25500±11055042B0.25400±7040043C0.25400±644004

3.1 模型的建立與設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的PKPM模型和圖紙，建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，按照實(shí)際情況模擬結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，有限元模型采用剛性樓板假定并且假定結(jié)構(gòu)在地面嵌固，里茲向量法計(jì)算模態(tài)，采用Rayleigh阻尼，阻尼比取5%。

3.2 彈性時(shí)程分析

本工程設(shè)計(jì)選用OLYMPIA，TAFT，LWDA，USER900，PEL，LIANZHOU1，JAMES共7條地震波。通過對波在頻域內(nèi)的綜合調(diào)整，各條波在8度(0.2g)多遇地震(70 cm/s2)的反應(yīng)譜已經(jīng)與我國GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相對應(yīng)的不同水準(zhǔn)設(shè)計(jì)譜基本一致。OLYMPIA，TAFT，LWDA，USER900，PEL，LIANZHOU1，JAMES的波形頻譜如圖3所示，根據(jù)規(guī)范要求分別把峰值調(diào)整到8度(0.2g)多遇地震(70 cm/s2)。

表2是附加粘滯阻尼器減震后結(jié)構(gòu)在7條地震波下各層層間剪力的減震率，表2中可以發(fā)現(xiàn)，減震結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間剪力明顯得到降低，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震響應(yīng)得到極大減小。

表2 X向各條地震波的層剪力減震率 %

小震時(shí)程分析時(shí)輸入的JAMES地震波峰值加速度為70 gal，持時(shí)為20 s。計(jì)算分析結(jié)果如表3所示，附加阻尼器后結(jié)構(gòu)的減震效果明顯，層間剪力與最大層間位移角得到極大的改善。同時(shí)以JAMES波作為大震下時(shí)程分析的1條參考地震波。

表3 JAMES波X向?qū)娱g剪力、位移角對比

3.3 彈塑性時(shí)程分析

本工程采用MIDAS軟件對該模型進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。

3.3.1 構(gòu)件模型

1)采用桿系模型模擬實(shí)際梁柱結(jié)構(gòu)，并根據(jù)構(gòu)件實(shí)際損傷情況在桿系模型中設(shè)置相應(yīng)的塑性鉸。為考慮框架柱實(shí)際受到軸力和雙軸彎矩的作用，采用P-M-M鉸對框架柱進(jìn)行模擬；2)樓板結(jié)構(gòu)全部采用殼單元進(jìn)行模擬。

3.3.2 基于截面的恢復(fù)力模型

當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件以彎曲破壞為主時(shí)，可采用基于截面的恢復(fù)力模型，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到破壞時(shí)，其卸載剛度低于初始加載剛度，因此本結(jié)構(gòu)模型采用Clough M-C模型。

3.3.3 大震分析結(jié)果

為滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中“大震不倒”的設(shè)防要求，需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下(罕遇烈度)的彈塑性時(shí)程分析。發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和塑性應(yīng)變集中的部位，判斷結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制和破壞類型，找到結(jié)構(gòu)薄弱層并驗(yàn)算彈塑性變形。因此大震下彈塑性時(shí)程分析應(yīng)該給出兩個(gè)主要結(jié)果：

1)整體響應(yīng)指標(biāo)的減震率，包括基底剪力和傾覆力矩，頂點(diǎn)位移和層間位移角的時(shí)程和最大值；

2)構(gòu)件損傷情況的減輕效果，包括構(gòu)件屈服損傷的程度、屈服的順序和分布情況等。

X向和Y向JAMES波罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)減震前后的層間位移角如表4所示，層間位移角在各樓層的減震率最大值分別達(dá)22.14%，21.51%，起到了很好的減震效果。

表4 X向與Y向JAMES波作用下層間位移角對比

從X向JAMES波罕遇地震作用下基底剪力減震前后的時(shí)程曲線來看，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)后其各時(shí)間點(diǎn)基底剪力都有所減小，達(dá)到一定的減震效果，但不如層間位移角減震效果明顯。

對附加粘滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的減震率進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，罕遇地震下結(jié)構(gòu)附加粘滯阻尼器后層間位移角有較好改善，層間剪力改善不太明顯，這與粘滯阻尼器的非線性特性有關(guān)。

其中一個(gè)阻尼器在大震下的滯回曲線如圖4所示，可以看出滯回曲線飽滿，說明設(shè)計(jì)合理，能充分吸收地震能量。同時(shí)比較減震前后結(jié)構(gòu)塑性鉸出鉸情況可以看出，附加阻尼器后，結(jié)構(gòu)的出鉸得到明顯的改善，塑性鉸得到有效的控制，該加固方案合理有效。

4 結(jié)語

1)本工程所采用的減震加固方案經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算并考慮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和建筑效果，共在兩個(gè)主軸方向的適當(dāng)位置設(shè)置12套粘滯阻尼器；

2)通過計(jì)算分析，采用粘滯阻尼器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)后使結(jié)構(gòu)在多遇地震下滿足規(guī)范要求并使結(jié)構(gòu)的受力更為合理。在罕遇地震下結(jié)構(gòu)塑性鉸的數(shù)量大為減少，塑性鉸發(fā)生、發(fā)展的程度得到延緩和控制；

3)該減震加固方案極大的降低了建筑材料的消耗，節(jié)省了加固成本，提高了加固結(jié)構(gòu)的安全性能，體現(xiàn)出消能減震加固設(shè)計(jì)較之于傳統(tǒng)加固設(shè)計(jì)的優(yōu)勢；

4)采用粘滯阻尼器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)可以降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，提高加固結(jié)構(gòu)的抗震性能。

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Dynamic analysis of reinforcement structure with nonlinear viscous dampers

Luo Peng Luo Suping Xie Changyu

(HainanYangpuDevelopmentandConstructionHoldingsLtd，YangpuEconomicDevelopmentZone，HainanProvince， 578101，China)

Combining mechanical model of viscous damper, the article introduces viscous damper seismic-reducing structure analysis and design methods. Taking the kidgardern engineering as an example, it explores the dynamic characteristics of nonlinear viscous damper reinforcement structure, and points out that: it reduces structural seismic response and improves structural seismic resisting performance through adding nonlinear viscous damper.

viscous damper, structure, elastic time-history analysis, model

1009-6825(2015)32-0051-03

2015-09-01

羅 鵬(1989- )，男，碩士； 羅蘇平(1971- )，男，博士，高級工程師； 謝長余(1963- )，男，高級工程師

TU311

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