含非线性粘滞阻尼器结构的动力分析

非线性粘滞阻尼器减震结构参数研究
李宝华;魏建国;刘京红
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2006(032)020
【摘要】结合工程实例,对多层钢筋混凝土框架结构进行了分析,考虑非线性粘滞阻尼器斜撑的施加对结构地震反应的影响,并根据计算结果研究了支撑刚度对阻尼器减震效果的影响,所得结果可为粘滞阻尼器支撑结构的设计提供依据.
【总页数】2页(P7-8)
【作者】李宝华;魏建国;刘京红
【作者单位】河北农业大学城乡建设学院,河北保定 071001;河北农业大学城乡建设学院,河北保定 071001;河北农业大学城乡建设学院,河北保定 071001
【正文语种】中文
【中图分类】TU352
【相关文献】
1.粘滞阻尼器减震结构非线性随机振动的时域显式降维迭代随机模拟法 [J], 苏成;李保木;陈太聪;梁雄;代希华
2.某框架结构采用屈曲约束支撑与粘滞阻尼器的消能减震的应用研究 [J], 邢秀琪;潘文;张田庆
3.空间缆悬索桥纵向粘滞阻尼器减震研究 [J], 宋松科;李军歌;熊伦;刘伟
4.高烈度区大跨度桥梁粘滞阻尼器减震研究 [J], 郑成成;陈永祁;郑久建;马良喆;吴
福春;陈伟强
5.粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析 [J], 汤昱川;张玉良;张铜生
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设置非线性粘滞阻尼耗能框架结构地震反应分析地震是一种常见的自然灾害，会造成巨大的经济损失和人员伤亡.建筑结构传统的抗震方法已难以满足现代社会对结构安全的更高要求，由此出现了在建筑结构、桥梁中广泛应用的耗能减震技术.在结构中设置阻尼器以控制结构的地震反应，是耗能减震技术的一种重要形式，由于非线性粘滞阻尼器对温度不敏感、较易更换，并能够有效地减小结构的地震反应，因此该技术具有较好应用前景.目前，非线性粘滞阻尼器在结构中的应用已经取得了不少成果.林森等[1-2]提出在结构中设置阻尼器，应避免结构的质量中心和刚度中心不一致，合理布置粘滞阻尼器可有效减小扭转效应.张敏等[3-5]针对规则、不规则框架结构的阻尼器布置进行了地震反应的空间分析，表明对于平面对称框架结构，阻尼器布置应使结构刚度中心与质量中心重合;对于平面非对称框架结构，阻尼器布置应使结构刚度中心和质量中心偏差减小.周圆兀等利用复模态解耦法，对两自由度带Maxwell粘滞阻尼器结构运动方程求解，与精确值和模态应变能进行比较，证明该方法的准确性;Sarven Akcelyana等提出自适应数值积分算法，考虑各粘滞阻尼器的轴向挠度时，采用四阶和四阶精确数值解法，对动力荷载作用下阻尼器力进行数值计算.通过灵敏度分析，论证了用于初值问题数值求解的自适应积分算法优于传统线性积分算法;薛彦涛等求解了单自由度非线性粘滞阻尼器的非线性运动方程，证明该方法在阻尼指数α小于等于0.2时，比等效线性法更加精确;Mehdi Banazadeh等[9-10]将线性粘滞阻尼器与非线性阻尼器进行对比，得出了非线性阻尼器的性能优于线性阻尼器，能够有效地减小结构的地震响应;王志强等对阻尼系数C和阻尼指数α进行了参数敏感性分析，表明选择合适的阻尼器参数，可以降低结构相对位移，改善构件的地震力.孙传智等基于响应面法，构造最小阻尼力目标函数和约束条件，得到了粘滞阻尼器的参数优化值;Enrico Parcianello等建立了约束优化问题的公式方法，由此改善了框架结构的抗震性能，从而获得了阻尼器的最佳利用;朱礼敏采用遗传算法对大跨空间结构中粘滞阻尼器位置进行了优化，结果显示了优化布置后的结构内力、位移等均明显减少，减震效果较为显著.本文针对设置非线性粘滞阻尼器框架结构振动方程求解，研究阻尼系数C、阻尼指数α对结构地震响应的影响;提出非线性粘滞阻尼器在结构中的经济布置方案;在经济布置方案基础上，对减震结构与传统抗震结构各楼层的地震作用进行比较.1 地震作用响应1.1 状态方程直接积分法设置非线性粘滞阻尼器结构增量形式振动方程[15-16]为：1.3 地震作用分析结构各楼层地震作用定义为地震时楼层受到惯性力与阻尼力之和，其本质是将地震作用的动力问题化为相当于静力荷载作用的静力问题.因此各楼层地震作用为：2 工程算例一栋层钢筋混凝土框架结构，底层层高[4.5 m]，二层及以上楼层高度为[3.3 m]，总层高为[34.2 m];该结构设防类别丙类，抗震设防烈度为8度，基本地震加速度0.3 g，设计地震分组为第2组;结构自身阻尼比ζ[=0.05];混凝土强度等级[C30];楼屋面折算恒载标准值10 kN/m2（包括墙体自重），楼屋面活载标准值2 kN/m2;梁截面尺寸为[300 mm×650 mm]，柱截面尺寸为[600 mm×750 mm].结构框架平面图如图1所示.该结构分别作用[*****E]地震波（适用I类场地）、[El-Centro]地震波（适用Ⅱ类场地）、[*****OD *****]地震波（适用Ⅲ类场地）、天津地震波（适用Ⅳ类场地）.各地震最大加速度幅值为110 cm/s2.2.1 结构自振周期采用MATLAB及*****分析结构地震响应，得出结构自振周期见表1.2.2 阻尼系数C对地震反应影响框架结构各楼层设置非线性粘滞阻尼器均相同，框架结构计算简图见图2.阻尼器的阻尼参数见表2.2.2.1 结构楼层相对基础的最大位移响应图3表明：1）各楼层均匀布置粘滞阻尼器的减震结构较传统抗震结构，结构的最大侧移明显减小，表明结构设置非线性粘滞阻尼器后减震效果较显著;2）当阻尼指数α不变时，随着阻尼系数C增大，结构最大位移逐渐减小，但位移减小的程度随阻尼系数增大而减小，尤其在第I类场地地震波作用下，当阻尼系数超过2 000 kN·s·m-1时，结构位移变化很小.以上结果按有限元软件*****分析，得出的结果偏差在5%以内，限于篇幅，图中未给出*****分析结果.2.2.2 结构层间最大位移角响应图4表明：1）减震结构较抗震结构，最大层间位移角減小明显，均匀布置粘滞阻尼器的结构，未出现层间位移角突变现象;2）框架结构底部的最大层间位移角较大，上部结构层间位移角较小，设置非线性粘滞阻尼器后结构层间最大位移角较相应抗震结构显著较小，表明该结构减震效果明显;3）当阻尼指数α不变时，随着阻尼系数C增大，结构最大层间位移角逐渐减小，但其减小的程度随阻尼系数增大而减小，尤其在第I类场地地震波作用下，当阻尼系数超过2 000 kN·s·m-1作用下，结构层间最大位移角变化很小.2.3 阻尼指数α对地震反应影响由于场地类型不同，四类场地阻尼参数取值不同，但阻尼指数α是相同的（见表3）.2.3.1 结构楼层相对基础的最大位移响应图5表明：1）当阻尼系数C为常量，随阻尼指数α减小，结构最大位移减小程度增大;非线性粘滞阻尼较线性粘滞阻尼器（α=1），减震效果明显提高;2）当阻尼器均匀布置时，随着阻尼指数变化，楼层最大位移没有出现突变现象.2.3.2 结构层间最大位移角响应图6表明：1）当阻尼系数C保持常量时，随着阻尼指数α减小，结构层间最大位移角减小较显著;非线性粘滞阻尼器较线性粘滞阻尼器（α=1），减震效果明显提高;2）结构各楼层的层间最大位移角分布不均匀，结构上部层间最大位移角较下部相应值小.2.4 非线性粘滞阻尼器的经济布置经上述分析表明，均匀布置非线性粘滞阻尼器，有较好的减震效果，但上部楼层位移角与下部楼层位移角差值过大，表明结构非线性粘滞阻尼器布置不够经济.本文以非线性粘滞阻尼器均匀布置时的层间位移角为标准，将非线性粘滞阻尼器的阻尼系数C进行适当调整，以使结构各楼层的层间最大位移角基本接近，从而达到减震和经济的目的.各楼层阻尼器的阻尼系数C在上述均匀布置基础上，按式（34）调整，结果见表4.图7、图8分别是结构楼层阻尼器经过上述调整后的楼层最大位移、层间最大位移角.由图可见，结构楼层最大位移差值减小，楼层层间最大位移角比较接近，表明阻尼器布置比较经济.2.4.1 结构楼层相对基础的最大位移响应分析结果见图7.2.4.2 结构层间最大位移角分析结果见图8.3 结论1）框架结构设置非线性粘滞阻尼器后，地震反应将显著减小，但减小的程度随阻尼系数增大而减小，尤其在第I类场地地震波作用下，当阻尼系数超过2 000 kN·s·m-1时，结构最大位移、层间最大位移角变化很小.因此，在结构抗震设计时，应考虑场地类型，合理选择阻尼器参数.2）当各楼层阻尼系数C固定时，阻尼指数α越小，减震效果越明显，非线性粘滞阻尼器较线性粘滞阻尼器减震效果好.3）在框架结构中，当非线性粘滞阻尼器在各楼层连续均匀布置时，减震效果良好，但按经济布置原则，对结构阻尼系数进行调整后，结构楼层的层间最大位移角在各楼层分布较均匀，该阻尼器布置比较经济.4）给出了框架结构设置非线性粘滞阻尼器后地震作用的计算公式，对比减震结构与相应抗震结构的地震作用分析，表明减震结构地震作用明显减小.。

粘滞阻尼框架结构动力可靠度及参数分析狄生奎;赵子斌;李凯峰【摘要】针对装有粘滞阻尼器的框架结构,建立粘滞阻尼结构的动力方程.利用虚拟激励法和Kanai-Tajimi地震动模型求解出在地震作用下的随机响应.基于随机振动的首次超越破坏理论分析装有粘滞阻尼器结构的可靠度.通过调整不同的支撑刚度和阻尼系数,得出这些参数对粘滞阻尼结构可靠度的影响.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2014(040)002【总页数】5页(P123-127)【关键词】消能减震;粘滞阻尼器;虚拟激励法;随机地震反应;结构可靠度【作者】狄生奎;赵子斌;李凯峰【作者单位】兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TU311.3中国是一个多地震国家，震害严重，且存在着大量未考虑抗震设防和虽考虑抗震设防但仍不能满足现行规范的既有建筑.人们对工程安全的要求和工程抗震标准不断提高，为确保这些建筑的安全使用，就需要对建筑进行抗震加固.探寻实用而有效的抗震加固方法，越来越受到人们的重视.目前既有建筑抗震加固常用方法本质上是增强结构自身的抗震能力，依赖结构本身储存和耗散地震能量.这种“硬碰硬”式的抗震方法，不具备自我调节与自我控制的能力，将使结构产生不同程度的损坏，甚至产生严重破坏或倒塌，造成重大的人员伤亡和经济损失，是一种消极被动的抗震方法.为了满足结构功能和安全性的要求，避免过大的投资.近30多年来，国内外学者提出了结构消能减震体系这个新型的结构体系，并用来解决结构工程中的一系列问题.所谓结构消能减震体系就是通过在结构上安装耗能减震装置减轻或抑制结构由于外荷载作用引起的反应.粘滞阻尼器是为结构体系提供附加阻尼，通过粘滞介质和阻尼器结构部件的相互作用产生阻尼力，达到耗散地震输入能量的目的，保证结构构件安全[1-3].结构消能减震技术是一种积极的、主动的抗震对策，不仅改变了结构抗震的传统概念、方法和手段，而且使得结构的抗震(风)舒适度、抗震(风)能力、抗震(风)可靠性和灾害防御水平大幅度提高.郭安薪等[4]采用等价线性化建立了安装粘弹阻尼器的滞变结构体系在地震作用下的随机响应计算方法，并在此基础上探讨安装粘弹性阻尼器后的结构可靠度.谭平等[5]研究了TMD装置在容许行程范围内风荷载下的动力可靠度；陆立新等[6]提出非线性失效面的重要抽样法，应用于摩擦阻尼器减震结构的分析.杜永峰[7]基于非比例多自由度线性模型运用虚拟激励法研究了小震作用下隔震结构的失效概率.本文应用虚拟激励法计算粘滞阻尼结构的地震反应，与常用的时程分析法计算结果做比较；在此基础上从结构可靠度的角度，分析不同支撑刚度和阻尼系数对装有粘滞阻尼器结构可靠度和地震反应的影响.1 带粘滞阻尼器结构的随机地震响应1.1 粘滞阻尼结构的动力方程假定梁和楼板在平面内刚度无限大，将装有粘滞阻尼器的框架结构看成多自由度层间剪切模型，运动方程为(1)式中:M、K、C分别为质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵；F为附加的阻尼力列阵；为地面运动加速度时程;为加速度列阵;为速度列阵;x(t)为位移列阵.楼层由低向高编号，总层数为N，第j层质量为mj,第j层刚度为kj.结构阻尼采用Reyleigh阻尼，对于附加阻尼力列阵F，有式中：注：cj=njCejcos 2θj利用能量相等原理将粘滞阻尼器等效线性化[1]：得其中，1.2 虚拟激励法采用日本学者Kanai-Tajimi提出的平稳过滤白噪声模型,该模型考虑了地表土层特性对地震动频谱特征的影响[8].(2)其中,S是反映地震动强弱程度的谱参数，对于不同场地条件εj、ωg取值不同[8-9].文中利用虚拟激励法[9]将式(2)的功率谱离散化，对每个离散点构造虚拟地面加速度激励：(3)相应的结构虚拟响应量为将式(3)代入式(1)，得(4)则结构响应功率谱离散数值解为由于无论在自谱还是互谱计算中，虚拟简谐激励因子eiωt、e-iωt总是成对出现并最终相乘而抵消,因此可以将结构的位移、内力等方便的求出.虚拟激励法的实质就是将平稳随机振动的计算转化为稳态简谐响应计算，将非平稳随机振动的计算转化为普通逐步积分计算，从而实现用最基本的结构动力学方法来处理一般的平稳和非平稳随机响应分析问题，使得该方法既具有功率谱法自动包含参振振型藕合项影响的特点，同时又大大降低计算量.由于对应0均值输入的结构，其响应均值也为0，由维纳-辛钦关系得：(5)2 结构可靠度分析结构受地震作用的动力可靠度分析是典型的基于首次穿越破坏的分析.该问题可转化为楼层位移反应σ(t)在给定的时段[0,T]内一次也不超过给定界限值的概率.本文采用首超变形作为粘滞阻尼结构可靠性分析的破坏准则[10]，基于Poisson概率分布假定，假设结构的动力反应首次超越临界值时结构就发生破坏，并采用双侧对称安全界限，结构楼层的可靠度可以表示为(6)式中:T为地震时长；σy,j为位移方差；为速度方差；θe为层间位移限值.由虚拟激励法得到结构的各层位移均方差和速度均方差：结构楼层的失效概率：P2,j=1-P1,j(7)考虑到楼层的失效是由于该层的破坏所引起的，各楼层的失效破坏彼此无关.因此粘滞阻尼结构的失效概率为：(8)3 算例分析某8层框架结构建筑，考虑地震烈度为8度(设计基本地震加速度值为0.2g),Ⅱ类场地，设计地震分组为第三组，各层的质量均为6.17×105 kg,层间刚度分别为4.62×105、3.59×105、3.39×105、3.36×105、3.37×105、3.12×105、3.02×105、2.89×105 kN/m，层高均为3.6 m，混凝土结构阻尼比为0.05.粘滞阻尼器等效线性化后的等效阻尼为2.5×103 kN·s/m.地震动模型参数根据场地类型选取特征阻尼比εj=0.72，场地的特征周期wj=13.96 Rad/s，峰值因子S0=11.106 cm2/s3[11,12].3.1 结构随机响应分析该结构可以看成是多自由度层间剪切模型.由于各层均设置粘滞阻尼器，Ce接近比例阻尼矩阵，利用振型的正交性将其解耦为单自由度体系.首先，将0.2g的ElcentRo地震波的峰值调整为多遇地震，用时程分析法计算.然后，与虚拟激励法的计算结果进行比较，见表1.由表1可以看出：两种方法的计算结果相近,这表明利用虚拟激励法可以进行粘滞阻尼器减震结构的地震反应分析. 采用虚拟激励法，用MATLAB编程分别对非减震结构和减震结构进行随机响应分析，得到位移和速度的响应均方差.表1 时程分析法与虚拟激励法计算的楼层位移Tab.1 Time histoRy analysis and PEM to calculate the FlooR displacement 楼层虚拟激励法/mm时程分析法/mm13.199 82.722 927.147 46.101 3311.008 49.348 7414.468 312.331 7517.396 515.448 1619.914 918.405 6721.752 521.005 6822.758 422.970 3图1 楼层位移Fig.1 FlooR displacement图1为楼层位移.由表1、图1可知：设置粘滞阻尼器后，在地震作用下能有效减小结构的位移响应.其中,楼层位移比原结构减小50%～60%，层间位移比原结构减小50%～60%.这说明粘滞阻尼器支撑可以有效减小结构的地震响应，起到良好的消能减震作用.3.2 结构可靠度分析由层间位移(图2)可知,原结构第二层为薄弱层，层间位移最大，失效概率亦最大.增加粘滞阻尼器后，结构的楼层位移层间位移均明显减小，失效概率亦明显减小.减震结构与原结构的各楼层失效概率见表2，楼层可靠度见图3.地震作用下非减震结构的整体失效概率为99.998%，减震结构的整体失效概率几乎为0，可知设置粘滞阻尼器后能有效地提高结构的抗震性能.图2 层间位移Fig.2 LayeR displacement图3 楼层可靠度Fig.3 FlooR Reliability表2 各楼层与整体系统失效概率对比Tab.2 The contRast oF the FailuRe pRobability oF the FlooR and the whole system楼层非减震结构失效概率%可靠度%减震结构失效概率%可靠度%10.825 60.17440.000 30.999 720.962 80.037 20.006 10.994 030.939 80.060 20.002 30.997 640.839 30.160 70.000 20.999 850.585 40.414 601.000 060.321 60.678 401.000 070.022 80.977 201.000 0801.000 001.000 0整体系统1.000000.008 80.991 23.3 阻尼支撑参数对结构响应的影响影响减震结构随机响应的参数主要是支撑刚度与阻尼系数.粘滞阻尼器对结构不附加刚度，通常与斜撑串联布置在结构的层间.假设周期(表3)和阻尼器系数一定的结构设置粘滞阻尼器后，地震反应降低的原因有两个：1) 考虑支撑附加的刚度使结构的周期缩短；2) 通过粘滞阻尼器增大了结构原来的阻尼比从而吸收了大量的能量.为进一步了解粘滞阻尼器参数对减震结构随机反应和可靠度的影响，在调整不同支撑刚度和阻尼系数的情况下对减震结构进行随机反应和可靠度计算，其结果见图4～9.表3 非减震结构与减震结构的结构自振周期Tab.3 PeRiod oF vibRation oF the dissipation stRuctuRe and common stRuctuRe周期/s非减震结构减震结构11.407 50.717 420.486 80.420 430.300 20.282 4 图4、5为假定阻尼系数不变(C=1 500 kN·s/m)调整支撑刚度对结构楼层位移和速度响应的影响.可以看出：随着支撑刚度的提高，减震结构的楼层位移和速度均减小；当超过38 MN/m后，结构反应的变化趋于平缓.这是由于附加支撑的增加使得减震结构的刚度变大，结构整体的变形能力减小，从而导致结构楼层反应降低. 图4 支撑刚度对结构楼层位移的影响 Fig.4 The inFluence oF bRace stiFFness on the FlooR displacement图5 支撑刚度对结构楼层速度的影响Fig.5 The inFluence oF bRace stiFFness on the FlooR speed图6、7为假定支撑刚度不变(K=30 MN/m)时调整阻尼系数对结构楼层位移和速度响应的影响.可以看出：随着阻尼系数的增大，结构耗能能力增强，减震结构的楼层位移和速度均减小.图6 阻尼系数对结构楼层位移的影响Fig.6 The inFluence oF damping coeFFicient on the FlooR displacement图8、9分别为支撑刚度和阻尼系数对结构楼层失效概率的影响，可以得到以下结论.1) 支撑刚度在5～35 MN/m之间变化时，随支撑刚度的提高，减震结构的楼层失效概率显著降低；当支撑刚度大于38 MN/m时，继续增大支撑刚度，结构的失效概率趋于缓和；此时粘滞阻尼结构的能量消耗将完全由粘滞阻尼耗散.2) 随着阻尼系数的增加，结构的失效概率减小，呈指数变化形式.图7 阻尼系数对结构楼层速度的影响Fig.7 The inFluence oF damping coeFFicient on the FlooR speed图8 支撑刚度对结构失效概率的影响 Fig.8 The inFluence oF bRace stiFFness on the FailuRe pRobability图9 阻尼系数对结构失效概率的影响Fig.9 The inFluence oF damping coeFFicient on the FailuRe pRobability4 结论采用Kanai-Tajimi地震动模型，建立粘滞阻尼结构的动力方程，运用虚拟激励法求解减震结构的随机响应，以层间位移为限基于首次超越破坏理论得出减震结构与非减震结构的可靠度，并且探讨不同支撑刚度和阻尼系数对结构可靠度的影响. 1) 考虑到地震具有随机性，采用随机地震动模型比确定的时程函数能更合理地描述地震随机性；同时通过与时程分析法结果的比较，说明虚拟激励法能有效解决随机响应的问题.2) 基于层间位移首次超越破坏理论，得出装有粘滞阻尼器结构的楼层可靠度以及整体体系可靠度均明显的减小，说明粘滞阻尼减震结构的优越性.3) 探讨不同支撑刚度和阻尼系数对结构地震响应和可靠度的影响，可知在阻尼系数不变的情况下，支撑刚度对减震结构的影响很大.随着支撑刚度的增加，可以明显减小结构的楼层位移，楼层和整体体系失效概率也变小；当增加到一定程度时，结构的楼层位移趋于平缓，楼层和整体体系的失效概率也趋于平缓.在支撑刚度不变的情况下，结构的楼层位移随阻尼系数的增加一直减小，楼层和整体体系的失效概率随阻尼系数的增加而一直减小.4) 由于各层的地震响应不同，导致各层粘滞阻尼器的耗能效果不同.合理的设置支撑刚度和阻尼系数可以有利于粘滞阻尼器充分利用其特性，达到耗能减震的目的；同时各层的耗能能力得到合理的分配，使结构更趋于安全.参考文献：[1] 周云.粘滞阻尼结构减震设计 [M].武汉:武汉理工大学出版社,2006:184-190.[2] SOONG T T, DARGUSH G F.结构工程中的被动消能系统 [M].董平,译.北京:科学出版社,2005.[3] ZHANG R H,SOONG T T.Seismic design oF visco-elastic dampeRs FoR stRuctuRal application [J].JouRnal oF StRuctuRalEngineeRing,1992,18(5):1375-1392.[4] 郭安薪,吴波,徐幼麟.安装粘弹性阻尼器的滞变结构抗震可靠度分析 [J].世界地震工程,2001,17(2):8-13.[5] 谭平,卜国雄,周福霖.带限位TMD的抗风动力可靠度研究 [J].振动与冲击,2009,28(6):42-45.[6] 陆立新,吴斌,欧进萍.摩擦阻尼结构可靠度分析 [J].结构工程师,2009,25(3):80-83.[7] 杜永峰,白莉,夏亚峰,等.小震下隔震结构的随机响应及失效概率分析 [J].兰州理工大学学报,2004,30(6):101-105.[8] 欧进萍,王光远.随机振动 [M].北京:高等教育出版社,1998.[9] 林家浩,张亚辉.随机振动的虚拟激励法 [M].北京:科学出版社,2004.[10] 李桂青，曹宏，李秋胜,等.结构动力可靠性理论及其应用[M].北京:地震出版杜,1993．[11] 薛素铎,王雪生,曹资.基于新抗震规范的地震动随机模型参数研究 [J].土木工程学报,2003,6(5):5-10.[12] 欧进萍,牛荻涛,杜修力.设计用随机地震动的模型及其参数确定 [J].地震工程与工程振动,1991,1(3):45-53.。

黏滞阻尼器的进展及其动力学分析李政忠发布时间：2021-08-10T07:03:24.522Z 来源：《基层建设》2021年第15期作者：李政忠[导读] 随着建筑高度的增加，结构的侧向变形和舒适度问题逐渐突出。

传统方法通过改进结构体系、提高结构刚度广州大学土木工程学院广东广州 510006摘要：随着建筑高度的增加，结构的侧向变形和舒适度问题逐渐突出。

传统方法通过改进结构体系、提高结构刚度、强度和延性来提高结构抗震和抗风能力，其造价随结构高度的增加成倍增长。

黏滞阻尼器可以通过阻尼系数，进而耗散地震能量。

本文为探寻黏滞阻尼器的作用机理，结合其力学模型进行分析。

关键词：结构抗震；黏滞阻尼器；力学模型引言在结构物的某些部位（节点或联接处）装设黏滞阻尼器，在风荷载或微小地震下，这些阻尼器处于刚弹性状态，结构物具有足够的侧向刚度以满足正常使用的要求；强地震发生时，随着结构受力和变形的增大，这些阻尼器率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震能量，从而使主体结构避免进入明显的非弹性状态并迅速衰减结构的地震反应，保护主体结构。

从动力学观点看，黏滞阻尼器的作用相当于增大结构的阻尼。

地震作用下，结构会产生自由振动，而阻尼力可以引起结构能量大耗散，使结构振幅逐渐变小。

1 力学模型黏弹性阻尼器属于速度型阻尼器，滞回曲线一般呈椭圆型。

为了精确的研究黏滞阻尼器的动力特性，采用开尔文模型、麦克斯韦尔模型进行分析[1]。

（1）麦克斯韦尔模型（Maxwell模型）麦克斯韦尔模型为一个弹簧单元和阻尼单元串联而成，其力和位移的关系式为：2 黏滞阻尼器国内外的发展与应用结构工程用液体黏滞阻尼器产品特点的发展过程如下：以胶泥为填充材料（第一代）；采用各种阀门控制阻尼器参数并使用蓄能器（第二代）；以小孔激流方式控制阻尼器参数（第三代）[2]。

黏滞阻尼器是速度相关型阻尼器，根据产品外形来划分为，主要包括杆式黏滞阻尼器、黏滞阻尼墙和缸筒式黏滞阻尼器[3]（也称三向黏滞阻尼器）。

非经典阻尼结构系统的动力分析方法1 非经典阻尼结构系统的动力分析非经典阻尼结构系统是一类复杂的动力学系统，它的特点是非线性性质，不容易控制。

为了有效分析和安全控制这类系统，研究人员致力于开发面向非经典阻尼结构系统的动力分析方法。

当前，研究人员开发的一些非经典阻尼结构系统的动力分析方法如下：1.1 弹性上升模型法弹性上升模型法（ERM）是一种快速分析和解决非经典阻尼结构系统动力问题的有效方法，它将非经典阻尼结构系统分解为三个独立的虚拟系统，即转动系统、弹性系统和水平系统。

利用LTISIM（MATLAB 线性时不变系统模拟）对ERM进行动力仿真，可以得到比较准确的模拟结果。

1.2 超量子弹性模型超量子弹性模型（HEM）是一种面向非经典阻尼结构系统的动力分析方法，主要涉及超量子动力学扩展，超量子物理理论，空间结构模型，非线性容忍度分析等概念。

此外，还能够应用多层次优化方法，滚动调整每一层空间模型的参数，以最小的空间，最小的运行时间来取得最佳的计算结果。

1.3 动力参数估计动力参数估计（DPA）是一种涉及多项式和数值分析的方法，可以将复杂的非经典阻尼结构系统参数转换为具有可控性的参数，以便从动力诊断数据分析中获取有用信息。

同时，DPA还可以用于对非经典阻尼结构系统物理属性参数进行测量，通过参数估计计算出结构系统的传动参数。

1.4 混合动力学模型混合动力学模型（HMD）是一种结合了物理规律和数学模型的技术，专门针对复杂的非经典阻尼结构系统开展动力分析。

它利用数学模型识别能够模拟动力学系统的有效参数集，并将模型参数与物理参数/行为参数相关联，从而以精确的方式估算动力系统的特性。

2 结论上述简要介绍了几种非经典阻尼结构系统的动力分析方法，如弹性上升模型法、超量子弹性模型、动力参数估计和混合动力学模型。

在未来的研究和应用实践中，这类方法会取得更大的成功，为非经典阻尼结构系统的技术研究和社会应用提供有价值的指导。

非线性粘滞性阻尼器的结构运动方程的解法提要：本文基于国内外现有的粘滞阻尼器性能试验和计算研究，提出单自由度粘滞阻尼器的计算方法文中给出了粘滞阻尼器非线性运动方程的解法，并运用该方法进行了大量的比较计算，研究了这种解法的精度.关健词：非线性粘滞阻尼器sap2000１引言粘滞性阻尼器是抗震被动控制中的一种十分有效的耗能减震装置，一般是由缸体、活塞和流体组成。

活塞在缸筒内可作往复运动活塞上有适量小孔，筒内盛满流体，利用活塞在粘滞性流体中运动消耗地震时输入结构的能量。

国内外关于粘滞性阻尼器的数值计算和试验研究都很多，但大多数都局限于将其简化为线性阻尼器模型再进行计算。

但是当一个长周期的结构承受强烈的地面振动时，线性的粘滞性阻尼器会产生额外的阻尼力，这对结构来说是不利的，而非线性的粘滞阻尼器则不同，它不但在结构运动速度很快时提供阻尼力，而且可以有效的限制阻尼力的幅值。

采用非线性时程分析的方法求解单自由度系统的非线性的运动方程，可以得出系统在动力荷载作用下的反应。

目前，国内外学者对粘滞性阻尼器多采用等效刚度等效阻尼模型进行非线性时程分析。

但是等效模型将粘滞性阻尼器的刚度、阻尼均简化为线性，会导致阻尼器应力应变曲线有一定程度的失真，将直接影响到减震结构的时程分析结果。

为了保证减震结构设计的安全可靠，有必要对设有粘滞阻尼器的消能减震结构进行更加深人，更加准确的非线性时程分析。

为此，本文提出了一种非线性时程分析的计算方法.２非线性粘滞阻尼器非线性粘滞阻尼器的力和位移的关系可以写成：（１）其中为对应不同速度指数ａ值零频率时的阻尼系数，ａ为正实数指数，其变化范围在0.1—1.0之间。

符号ｓｇｎ（Ｄ）是一个正负符号函数。

当ａ=１时，方程（１）可写为，这时方程表示的是线性的粘滞性阻尼器；当=０时，方程（1）可写为，这时方程表示的是纯摩擦阻尼器。

因此ａ为非线性粘滞阻尼器的非线性特征量。

３单自由度系统的非线性运动方程的解法安装有粘滞性阻尼器的单自由度系统运动方程为：(2)其中ｍ为质量，ｋ为弹性刚度，ｃ为线性阻尼系数，为地面运动加速度。