某廠房附屬結(jié)構(gòu)減震阻尼器參數(shù)分析

摘 要：為研究粘滯阻尼器參數(shù)變化對于上部運(yùn)輸系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)之間相對位移減震控制效果的影響。依據(jù)廠房自身特殊的工藝要求提出相應(yīng)減震位移性能指標(biāo)，利用Midas/Gen建立主-附耦合結(jié)構(gòu)模型，選擇其中某一橫向單榀結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，綜合各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)，選出減震效果最優(yōu)的參數(shù)組合，以此為依據(jù)進(jìn)行整體耦合結(jié)構(gòu)減震效果分析。結(jié)果表明，粘滯阻尼器的設(shè)置可以極為有效地控制上部運(yùn)輸系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)之間的相對變形。所得結(jié)果可為同類附屬結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：附屬結(jié)構(gòu);粘滯阻尼器;參數(shù)分析;性能指標(biāo)

近年來，隨著對大型工業(yè)廠房的工藝要求的不斷提高，為了滿足其復(fù)雜的使用功能，大量附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)置成為了必然的趨勢。與此同時(shí)，隨著附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間質(zhì)量之比的逐漸增小，地震作用下，附屬結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)也將逐漸增大，從而其因地震破壞的可能性也將大大增加。由此可見，對于附屬結(jié)構(gòu)的減震控制研究就變得日益重要。

但是，目前設(shè)計(jì)時(shí)往往僅將附屬結(jié)構(gòu)等效為質(zhì)量荷載附加在主體結(jié)構(gòu)上，忽略了附屬結(jié)構(gòu)在地震作用下可能發(fā)生的破壞。為了解決這一問題，

本文以某廠房為工程背景，建立其主-附結(jié)構(gòu)精細(xì)有限元模型，通過在主、附結(jié)構(gòu)之間設(shè)置粘滯阻尼器來實(shí)現(xiàn)對附屬結(jié)構(gòu)的減震控制。為了進(jìn)一步研究阻尼器參數(shù)對于地震作用下阻尼器減震效果的影響，本文將選取整體結(jié)構(gòu)中某一單榀結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼器參數(shù)分析，選出最優(yōu)參數(shù)組合，并以此為依據(jù)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)阻尼器減震效果分析。

一、工程概況及計(jì)算模型

對于該廠房而言，其主體結(jié)構(gòu)跨度為76.5m，進(jìn)深64m，采用鋼網(wǎng)架+鋼雙肢格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)形式。屋蓋采用正交正放鋼網(wǎng)架，網(wǎng)架下弦中心標(biāo)高27.00m，屋蓋支承形式為三邊支承，一邊開敞，開敞邊設(shè)置大門反梁。主體結(jié)構(gòu)共設(shè)置支承柱22根，采用Q345B鋼。圖1為該廠房主-附結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元模型。

對于該廠房而言，其主要附屬結(jié)構(gòu)為懸掛于屋蓋下弦處的上部運(yùn)輸系統(tǒng)。圖2所示的為在獨(dú)特的工藝要求下主、附結(jié)構(gòu)之間實(shí)際連接構(gòu)造情況。其中，主體結(jié)構(gòu)與上部運(yùn)輸系統(tǒng)之間僅由一組直徑為50mm 的實(shí)腹式圓桿（下文統(tǒng)稱為吊桿）相連。吊桿與屋蓋下弦相連端設(shè)置有縱向轉(zhuǎn)動(dòng)的銷軸，從而運(yùn)輸系統(tǒng)可以在縱向自由轉(zhuǎn)動(dòng)。吊桿與運(yùn)輸骨架相連端設(shè)置橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的銷軸，從而運(yùn)輸系統(tǒng)可以在橫向自由轉(zhuǎn)動(dòng)。正因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)從而地震作用下，上部運(yùn)輸系統(tǒng)將產(chǎn)生巨大的側(cè)向變形。

圖3為計(jì)算模型中上部運(yùn)輸系統(tǒng)的示意圖。模型中通過釋放吊桿兩段的節(jié)點(diǎn)自由度來實(shí)現(xiàn)上部運(yùn)輸骨架的自由移動(dòng)。其中，吊桿與主體結(jié)構(gòu)相連端通過釋放該節(jié)點(diǎn)繞單元自由度Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來模擬懸吊系統(tǒng)縱向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而吊桿與運(yùn)輸骨架相連端則通過釋放繞單元自由度Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度來模擬懸吊系統(tǒng)橫向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

二、粘滯參數(shù)阻尼器

液體粘滯阻尼器通常由油缸、活塞、阻尼介質(zhì)以及節(jié)流孔組成。阻尼介質(zhì)通過節(jié)流孔在以活塞為分隔的兩個(gè)腔體之間流動(dòng)。在此過程中，阻尼介質(zhì)的分子之間、介質(zhì)與活塞、介質(zhì)與缸體壁之間產(chǎn)生劇烈的摩擦，介質(zhì)在通過節(jié)流孔時(shí)產(chǎn)生巨大的節(jié)流阻尼。這些作用所產(chǎn)生的力的合力即為粘滯阻尼器的阻尼力。

三、阻尼器參數(shù)分析

由式（1）可知，不同的阻尼器參數(shù)組合將直接影響阻尼器對于結(jié)構(gòu)的減震效果。因此，選擇阻尼器最為合理的參數(shù)組合就變得尤為重要。本文為了選擇出最為合理的阻尼器參數(shù)組合，同時(shí)簡化計(jì)算成本，特選擇整體結(jié)構(gòu)中X向，Y=36m處的單榀結(jié)構(gòu)（如圖6所示）進(jìn)行阻尼器參數(shù)分析，并選擇該單榀模型中某一吊桿兩端節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過對其地震響應(yīng)進(jìn)行分析，進(jìn)而可以得出對應(yīng)的上部運(yùn)輸系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)各自的地震作用。

根據(jù)廠房所在的場地類型，選擇Coalinga _364波等7條地震波作為外部地震輸入。分別對單榀模型進(jìn)行小震、中震和大震作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，地震波峰值依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]分別調(diào)整為小震0.07g、中震0.2g、大震0.4g，計(jì)算結(jié)果取7條加速度時(shí)程計(jì)算結(jié)果的平均值。

通過上述分析可知，當(dāng)阻尼常數(shù)C越大且阻尼指數(shù)α越小時(shí)，阻尼器對于主、附結(jié)構(gòu)之間相對變形的控制作用越為明顯。但此時(shí)，阻尼器出力也達(dá)到最大，但經(jīng)過驗(yàn)算，最大阻尼器出力值依然滿足安裝構(gòu)件的強(qiáng)度要求，可以保證使用安全性。因此，最終選擇阻尼常數(shù)C=100kN[?]s/m，阻尼指數(shù)α=0.3這組參數(shù)作為粘滯阻尼器的最終使用參數(shù)。

四、結(jié)語

（一） 阻尼常數(shù)C和阻尼指數(shù)α這組參數(shù)的不同取值在很大程度上影響了粘滯阻尼器的減震控制效果。在本算例中，上部運(yùn)輸系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)之間的相對變形隨著阻尼常數(shù)C的增大而減小，隨著阻尼指數(shù)α的增大而增大。而阻尼力則恰恰相反，即隨著阻尼常數(shù)C的增大而增大，隨著阻尼指數(shù)α的增大而減小。

（二）在保證阻尼器出力不會(huì)對連接構(gòu)件產(chǎn)生強(qiáng)度破壞的情況下，應(yīng)以主、附結(jié)構(gòu)之間的相對變形值作為首要條件進(jìn)行阻尼器參數(shù)選擇。

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作者簡介：李勵(lì)哲（1991-），男，安徽省合肥市人，漢族，學(xué)歷：碩士，職位：土建工程師，職稱：助工，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。