帶黏滯阻尼器高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)性能分析

1、帶黏滯阻尼器高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)性能分析北京銀泰中心主塔樓為酒店公寓樓，高248m,共60層,為純鋼結(jié)構(gòu).此主塔樓在大的橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)頂部的加速度響應(yīng)超過規(guī)范規(guī)定的關(guān)于人體舒適度的要求，因此，共設(shè)置了 164個(gè)黏滯流體阻尼器，同時(shí)在加強(qiáng) 層伸臂桁架處 設(shè)置了 24個(gè)無黏結(jié)支撐，滿足了規(guī)范的要 求3.結(jié)合北京另一未建大型帶黏滯阻尼器 工程，運(yùn)用有限 元軟件ANSYS建立三維模型4, 研究黏滯阻尼器對(duì)高層 鋼結(jié)構(gòu)地震和風(fēng)振的影響.1工程背景與計(jì)算模型本文所研究的寫字樓地上39層，地下5層，設(shè)計(jì)樓高為191.5 m,地面以上主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，框架 內(nèi)筒結(jié)構(gòu)體系，樓面采用壓型鋼板現(xiàn)澆鋼

2、筋混凝土組合樓面.在方案優(yōu)化階段，提出在部分 位置增加黏滯阻尼器以減小 地震和風(fēng)振反應(yīng).計(jì)算模型如圖1a,梁柱采用BEAM 188單 元，支撐采用LINK8單元，樓板采用SH ELL63單元，阻尼 器采用COM BIN14,線性阻尼單元，具有剛度 和阻尼兩項(xiàng) 功能，本文中剛度取為0.鋼材的彈性 模量為2. 06 105 N/ mm2 ,屈服強(qiáng)度為300 N/ mm2 ,鋼材恢復(fù)力模型采用剛度衰減雙折線模型5,屈服后剛度為彈性剛度的 0.02;混凝土為C30,彈性模量為3104 N/ mm2 . 主體建模39層,另外建一約束層，在樓頂另建一停機(jī)坪.圖1b 所 示，黏滯阻尼器加于內(nèi)主框架中間跨.三

3、維模型z加祖丿G器】L加阻尼器一、,100(b)阻尼器平面布置2時(shí)程分析與計(jì)算結(jié)果2. 1阻尼系數(shù)參數(shù)分析時(shí)程分析輸入的地震波選用場(chǎng)地類型為3類的地震波PEL作為激勵(lì)輸入，首先進(jìn)行常遇小震時(shí)程分析，其峰值加速度為 0. 7 m/ s2 ,結(jié)構(gòu)阻尼采 用和質(zhì)量、剛度有 關(guān)的 Rayleigh阻尼6.在內(nèi)主框 架中間加 4 39= 156個(gè)線性黏滯阻尼器.下面針 對(duì)空間框架，探討阻尼器系數(shù) 變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響.計(jì)算結(jié)果如圖2.阻尼器系數(shù)/(MN-m1)(a)底部剪力O阻尼器系數(shù)/(MNsufi)(b)最大位移由圖2a知，阻尼系數(shù)有一較合理的范圍.若阻尼系數(shù)過 大，則成本較高.故阻尼系數(shù)取為

4、108 MN s/ m.此時(shí)，最 大位移由 244. 7 mm 減小到 217. 2 mm,減小了 11.24% . 最大底部剪力由 20. 2 M N減小到16. 24 MN,減小了 19. 6% .此情 況的原因主要是黏滯阻尼器存在阻尼力滯后 ， 在高 層建筑中，地震波的不斷輸入，會(huì)出現(xiàn)阻尼力和結(jié) 構(gòu)振動(dòng)不同步的情況.若阻尼力是隨著加速度的方向，則增大結(jié)構(gòu)震動(dòng)；若阻尼力是背著加速度的方向，則減小結(jié)構(gòu)震動(dòng).2. 2 三維多遇小震分析從阻尼器布置位置參數(shù)分析.根據(jù)抗震規(guī)范，一般阻尼器設(shè)置在層間變形較大的位置.根據(jù)阻尼 器的受力機(jī)理，提出另一種設(shè)計(jì)方案，設(shè)置在層間 速度較大的位置.減少 11個(gè)阻

5、尼器，優(yōu)化設(shè)計(jì)a是加在層間位移最大的 28層, 優(yōu)化設(shè)計(jì)b是加在層間 速度最大的28層，共4 28= 112 個(gè).8度多遇地 震下的計(jì)算結(jié)果，如圖3, 4所示.- 200 0'-均加阻尼幕優(yōu)化設(shè)讓口優(yōu)化設(shè)計(jì)bI 2C0600/kNe優(yōu)化設(shè)計(jì)目個(gè)故尢耗能由圖3a可以看出，對(duì)于最大位移，全加阻尼器減小了11.23%,優(yōu)化設(shè)計(jì)a減少了 8. 25% ,優(yōu)化設(shè)計(jì)b減小了 9.91% .可以看出優(yōu)化設(shè)計(jì)b效果好于優(yōu)化設(shè)計(jì)a.圖3b可以看出，頂層最大加速度減小15%左右，從第7層開始，層最大加速度有很大程度的減小.圖3c可見，層間位移角均減小12%左右.從這個(gè)層間位移圖可以看出，2個(gè) 水平加強(qiáng)層幾

6、乎把整個(gè)結(jié)構(gòu)分成了3個(gè)部份.在層間位移角突變的地方，存在應(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)引起注意圖4a所 示，均加阻尼器時(shí)，阻尼器的最大阻尼力為1. 29 M N,出現(xiàn)在第8層；優(yōu)化設(shè)計(jì) a時(shí)，阻尼器的最大阻尼力為1.43 MN,出現(xiàn)在第7層；設(shè)計(jì)優(yōu)化b時(shí)，阻尼器的最大阻 尼力1. 3 M N,出現(xiàn)在第8層.分別取2種優(yōu)化阻尼力 最大的阻尼器，由阻尼器兩端的相對(duì)位移得出阻尼器的位 移和力曲線.阻尼器力和位移所包圍的面積即為阻尼器所 消耗的能量.計(jì)算得，圖4b阻尼器耗能為 86 kJ,圖4c 阻尼器耗能為 72 kJ.2. 3三維罕遇大震分析可見從最大位移看，優(yōu)化b大于優(yōu)化a,本節(jié)只對(duì)優(yōu) 化b進(jìn)行罕遇大震下時(shí)程分

7、析，其峰值加速度調(diào)整為4m/ s2 ,計(jì)算結(jié)果如圖 5.可以看出，都有不同程度的減小. 阻尼器耗能為1.67 M J,和常遇地震時(shí)單個(gè)阻尼器耗能相 比，增加了 20倍多.可以看出，地震波越強(qiáng)烈，阻尼器耗 能越有效.35卻25201510500.0 0.2 0.4 0.6 0. 8 1.0 1.2 1.4J呂轉(zhuǎn)巾i（獷昭大陽0.5 1.0 15 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5,0'0,0 I （J.02 0.00 0.020,04 0,0 6阻旭器佃（«單牛肌尼監(jiān)赧人耗能3隨機(jī)風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算結(jié)果 3. 1模態(tài)分析功率譜密度分析（PSD）稱為隨機(jī)振動(dòng)分析.而結(jié)構(gòu)

8、的 模態(tài)解是隨機(jī)振動(dòng)分析必須的前提步驟，表1給出了結(jié)構(gòu)在X方向前10階振型的自振特性可見，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力 響應(yīng)分析至多只要取前10階振型就能達(dá)到99%的程度.3. 2 隨機(jī)振動(dòng)分析 加到0. 1.風(fēng)振計(jì)算結(jié)果如 模態(tài)分析功率譜密度分析（PSD）稱為隨機(jī)振動(dòng)分析.而結(jié)構(gòu)的 模態(tài)解是隨機(jī)振動(dòng)分析必須的前提步驟，表1給出了結(jié)構(gòu)在 X方向前10階振型的自振特性.可見, 對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析至多只要取前10階振型就能達(dá)到99%的程度.（未控-無阻尼器；根據(jù)文獻(xiàn)7,加阻尼器后，近似計(jì)算阻尼比增控-優(yōu)化設(shè)計(jì)b）圖6所示.4035/4/35/申/ /4035/ /曲25/ /Zm25-:9sI!1./ 

9、7;>4LuifB1i11115f%J.J從以上計(jì)算結(jié)果可知，該結(jié)構(gòu)增設(shè)黏滯阻尼器后，受控下各層的位移均方根，速度均方根和加速度均方根都有不同 程度的降低，均能達(dá)到50%以上.可以看出，受控效果比 較明顯.結(jié)構(gòu)的功率譜密度見圖7.結(jié)構(gòu)的響應(yīng)譜主要發(fā)生在2個(gè)區(qū)域：一個(gè)是脈動(dòng)風(fēng)荷載的卓越頻率區(qū)，圖7a位移功率譜密度中最小頻率處的峰值響應(yīng)；圖7b, 7c是結(jié)構(gòu)的自振頻率區(qū)，速度以及加速度功率譜密度峰值與模態(tài)分 析中第1, 4振型相對(duì)應(yīng)，而且這2個(gè)振型的振型參與系 數(shù)以及有效質(zhì)量都比較大，這說明結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)既有受迫振動(dòng)又有結(jié)構(gòu)共振8.結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要為在低頻區(qū)與風(fēng) 荷載的振，對(duì)比之下，高頻區(qū)的受迫

10、振動(dòng)并不明顯.().16.10 4未哽0.40-預(yù)辜H(a位農(nóng)T 酋、4機(jī)理分析對(duì)于設(shè)置速度線性相關(guān)型阻尼器的多自由度結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程 可以表示為Ms Y+ ( Cs + Cd ) Y+ ( Ks + Kd ) 丫 = Fd ( t) , ( 1) 式中：Ms , Cs和Ks分別為主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼 和剛度矩陣；Fd ( t )為外荷載；Cd和Kd分別為阻尼器附加的阻 尼和剛度矩陣；Y, 丫和丫分別為加速 度，速度和位移矩 陣.當(dāng)結(jié)構(gòu)中設(shè)置線性黏滯阻尼器時(shí)，附加阻尼和剛度矩陣分別為 Cd = Cvij , Kd = 0, ( 2)件和其它非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全.即使阻尼器破壞，更換相當(dāng)方便阻尼器 附加

11、的阻尼矩陣 Cd 一般不滿足振型正交的條件，但是一般情況下忽略非正交項(xiàng)不會(huì)產(chǎn)生太大的誤差.于是，阻尼器附加給結(jié)構(gòu)的阻尼比Td ii TCd=* ii ,( 3)M4 i式中：Cvij是由線性黏滯阻尼器的阻尼系數(shù)組成的附加阻尼矩陣的元素.據(jù)文獻(xiàn)2,增加黏滯阻尼器 后，阻尼器 消耗了大量的振動(dòng)能量，保證了結(jié)構(gòu)構(gòu)式中：Ti , *分 別 為結(jié)構(gòu)第i振型的周期、振i和M i型向量和廣義質(zhì)量. 根據(jù)文獻(xiàn)5,可以近似計(jì)算規(guī) 則高層建筑的第一振型附加阻尼比.對(duì)于單個(gè)線性黏滯阻尼器，其阻尼力為f d =cd ( ud ) , ( 4)式中：f d為阻尼器的輸出力；cd為阻尼器 的阻尼系 數(shù),ud為阻尼器兩端的相對(duì)速度，為阻尼器系數(shù) 介于0. 22之間，本文中取=1.黏滯阻尼器的滯回曲線 比較穩(wěn)定，一般認(rèn)為輸出力與位移相位角相差90 .5結(jié)論1)