粘滯消能器消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程

劉維剛

【摘 要】本文主要介紹了粘滯消能器消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程。粘滯流體消能器內(nèi)置液體，理論上不提供靜剛度，因此不影響附加消能器之后結(jié)構(gòu)的周期和陣型；在簡諧振動下其力——位移滯回曲線呈橢圓型，表明消能器在最大位移狀態(tài)下受力為零，最大受力情況下位移為零；既可以降低地震反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)受力，也可以降低位移反應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】消能減震 剛度 滯回曲線

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.05.087

采用粘滯流體消能器的消能減震結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)步驟如下：

一、確定減震目標(biāo)

根據(jù)結(jié)構(gòu)自身情況及需求，確定相應(yīng)的減震目標(biāo)。在進(jìn)行粘滯消能器設(shè)置設(shè)計(jì)時(shí)，減震目標(biāo)通常體現(xiàn)為使結(jié)構(gòu)的附加阻尼比達(dá)到某一設(shè)計(jì)值，從而使消能減震結(jié)構(gòu)能達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，且又不至于使得造價(jià)過高。

二、簡化計(jì)算

確定減震目標(biāo)之后，采用等價(jià)線性化方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)消能減震簡化設(shè)計(jì)。具體操作如下：

1.運(yùn)行PKPM原結(jié)構(gòu)模型（無消能器），計(jì)算并輸出層剪力、層間位移。

2.初步設(shè)計(jì)消能器的參數(shù)與數(shù)量。消能器的參數(shù)包括阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)。

3.根據(jù)消能器的參數(shù)、數(shù)量以及結(jié)構(gòu)的層剪力、層間位移的控制目標(biāo)，采用抗震規(guī)范中消能器附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比計(jì)算結(jié)構(gòu)的附加阻尼比，X方向與Y方向分開計(jì)算，取兩個(gè)方向計(jì)算結(jié)果的較小值。

4.如果阻尼器的阻尼系數(shù)a=1，則附加阻尼比與結(jié)構(gòu)位移幅值無關(guān)，無須進(jìn)行迭代計(jì)算。將結(jié)構(gòu)原有的阻尼比疊加上述計(jì)算得到的附加阻尼比后重新進(jìn)行運(yùn)算，查看結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足減震設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，并查看結(jié)構(gòu)有無超筋情況。如果各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，即可確定各層粘滯消能器的參數(shù)及數(shù)量。否則，應(yīng)重新設(shè)計(jì)消能器的參數(shù)與數(shù)量。

5.如果阻尼器阻尼系數(shù)a不等于1，則附加阻尼比與結(jié)構(gòu)位移幅值有關(guān)，需要進(jìn)行迭代計(jì)算。迭代收斂后，將結(jié)構(gòu)原有的阻尼比疊加上述計(jì)算得到的附加阻尼比后重新進(jìn)行計(jì)算，查看各結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足減震設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，并查看結(jié)構(gòu)有無超筋情況。如果各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，即可確定各層粘滯消能器的參數(shù)及數(shù)量，否則，應(yīng)重新設(shè)計(jì)消能器的參數(shù)與數(shù)量。

三、建立相應(yīng)模型

簡化計(jì)算完成后，可以通過時(shí)程分析驗(yàn)算減震效果。分別建立以下模型： 1.無消能器模型。即原模型，主要用于對比時(shí)程分析法與反應(yīng)譜法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力。 2.有消能器模型。在無消能器模型的基礎(chǔ)上設(shè)置消能器的模型。

在MIDAS GEN中通過一般連接單元來模擬粘滯消能器，在軟件添加編輯一般連接特性值的頁面中，一般連接單元線性特征參數(shù)，主要包括：有效剛度和有效阻尼，在粘滯消能器-非線性特性值中的Maxwell模型中，一般連接單元非線性特征參數(shù)，主要包括：參考系數(shù)、參考速度、阻尼指數(shù)和連接部件的剛度。在建立一般連接單元時(shí)應(yīng)注意消能器的變形方向。

在ETABS中則是通過設(shè)置非線性LINK（Damper）單元來模擬消能器的力學(xué)行為。非線性LINK（Damper）包括三個(gè)屬性，分別是剛度K、阻尼系數(shù)C和阻尼指數(shù)a。根據(jù)工程實(shí)際情況，一般連接單元可通過直接連接上、下梁中點(diǎn)的方式來建立，也可以先建立鋼支撐然后連接鋼支撐節(jié)點(diǎn)與上梁中點(diǎn)來建立。

四、時(shí)程分析計(jì)算

消能器的參數(shù)及數(shù)量初步確定后，應(yīng)進(jìn)行時(shí)程分析計(jì)算，具體操作步驟如下：

（一）輸入地震波

根據(jù)工程的建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于二組實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬加速度時(shí)程曲線。將所選擇的地震波文件添加到模型中。

（二）定義時(shí)程工況

定義相應(yīng)的時(shí)程工況。應(yīng)注意，無消能器模型和有消能器模型都應(yīng)采用結(jié)構(gòu)原有阻尼比。

（三）地震波評價(jià)

計(jì)算無消能器模型，輸出結(jié)構(gòu)底部剪力。驗(yàn)算所選的地震波是否滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“在彈性時(shí)程分析時(shí)，每天時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%”的要求。如果滿足要求，所選擇的地震波可用于工程設(shè)計(jì)，否則應(yīng)重新選擇地震波。

五、減震方案效果評價(jià)

通過輸出兩個(gè)模型中各層層剪力及層間位移角來驗(yàn)證減震方案的效果。同時(shí)還可以通過輸出消能器的滯回曲線，查看消能器的變形及出力情況。

六、減震目標(biāo)

檢驗(yàn)消能器方案的減震效果是否滿足目標(biāo)的要求，同時(shí)還應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)比、層間位移角及其他各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。如均滿足要求，則確定該減震方案為最終方案，否則應(yīng)調(diào)整方案重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

七、確定消能器型號及參數(shù)

消能器產(chǎn)品選型時(shí)根據(jù)罕遇地震下消能器的最大出力來確定，當(dāng)上述計(jì)算為多遇地震或者設(shè)防地震時(shí)，可根據(jù)F大震=F小震X6a、F大震=F中震X2a簡化估算大震下粘滯消能器的出力，粘滯消能器力學(xué)模型表達(dá)式如下：F=CVa （1-1）式中，F(xiàn)為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；a為阻尼指數(shù)，常在0.3-1.0之間；V為最大速度。

可根據(jù)F、C、a來反算該消能器的最大速度V，從而確定消能器的所有參數(shù)，此時(shí)粘滯流體消能器設(shè)計(jì)院完成。注意，消能器準(zhǔn)確的出力大小和變形需求需要通過大震彈塑性時(shí)程分析確定，上述處理方法為簡化處理方法。

參考文獻(xiàn)

[1]Constantinous M C，Syman M D，Tsopelas P，etal.Fluid viscous dampers in applications of seismic energy dissipation and seismic isolation[C]//Proc.ATC17-1 Seminar on Seminar Isolation，Passive Energy Dissipation，and Active Control，1993，2：581-592.

[2] Makris N，Constantinou M C，Dargush G F.Analytical model of viscoelastic fluid dempers Joural of Structural Egineering，1993，119（11）：3310-3325

[3] Passive and active structural vibration control in civil engineering[M].New York：Springer Verlag，1994.