框架结构消能减震优化设计研究

摘要：由于建筑功能的要求，使得现代结构复杂，布置越来越不规则，对结构抗震要求越来越高。振动控制技术是提高结构抗震能力的一种积极有效手段，目前已成功地应用于房屋建筑、桥梁和高耸结构。本文运用有限元软件SAP2000对带不同设置粘弹性阻尼器的框架结构进行地震时程分析，并比较了不同控制方案的消能减震效果，对此类结构的减震设计提供参考。

关键词：粘弹性阻尼器；框架结构；优化设计

Abstract: due to the requirements of the building function, make modern structure is complex, decorate more and more irregular, seismic requirements for structure is getting higher and higher. Vibration control technology is to improve the structure of the seismic capability a positive and effective means, at present has been successfully applied in the housing construction, Bridges and tall structure. In this paper, the finite element software SAP2000 with different set of viscoelastic dampers frame structure of the seismic time history analysis, and compares the different control scheme can eliminate the earthquake effect of this kind of structure provides reference for the design of shock.

Keywords: viscoelastic dampers; Frame structure; Optimization design

中图分类号：TU318文献标识码:A文章编号：

1前言

近20年来，随着粘弹性阻尼器在土木工程中的广泛使用，液体粘滞阻尼器无论从制造技术上，还是设置方式上，都有了很大进展。粘弹性阻尼器[1,2]是一种基本上与速度相关的被动消能减震装置，依靠粘弹性阻尼材料的滞回耗能特性，增加结构的阻尼，耗散振动的能量，减小结构的动力反应，从而达到消能减震目的。粘弹性阻尼器具有计算模型易于确定，耗能能力强，施工方便等优点。本文运用SAP2000有限元软件对框架结构进行非线性地震反应分析，并对不同控制方案的结果比较分析，确定最优化布置。

2粘弹性阻尼器计算模型

目前，工程中应用较多的粘弹性阻尼器分析计算模型有：Kelvin模型、Maxwell模型、等效刚度和等效阻尼模型、四参数模型等。SAP2000有限元软件是采用Maxwell模型，该模型假定粘弹性阻尼器等效成弹簧单元与耗能单元相串联，如图1所示。

Maxwell模型的本构关系[1]：

（1）

式中：分别为粘弹性阻尼材料的剪切应力与剪切应变；分别为由粘弹性材料性能确定的系数。

在简谐激励下，由本构关系可得粘弹性材料的复模量：

(2)

(3)

(4)

式中：为粘弹性材料储存剪切模量，为粘弹性材料损耗剪切模量，为损耗因子。

SAP2000中布置粘弹性阻尼器时，需要给出粘弹性阻尼器的有效刚度Kd和有效阻尼Cd，这两个参数通过下面公式[1]得到：

(5)

(6)

式中：粘弹性阻尼器中粘弹性材料的厚度为h，面积为A，ω为激励频率。

3优化设计

某8度区一栋7层钢筋混凝土框架结构，场地类别为Ⅱ场地，层高3.0 m，总高度21.0 m，平面布置为x方向5跨，跨度均为6000mm，y方向3跨，跨度为6000mm，4000mm，6000mm。柱截面尺寸均为600mm×600mm，梁截面尺寸均为600mm×250mm，楼板厚度为120mm。混凝土强度等级：梁、柱、板均采用C30；钢筋等级：主筋采用HRB335，箍筋采用HRB235。恒荷载：6KN/m2，活荷载：恒荷载：2.5KN/m2。梁、柱、板均为现浇，采用刚性楼板假定。选择EL Centro地震波，最大加速度为341.7 cm /s2，持续时间为30s，地震波峰值加速度根据《建筑抗震设计规范》[3]：罕遇地震作用时调整至400 cm /s2。

表1粘弹性阻尼器的参数

在罕遇地震作用下，结构布置粘弹性阻尼器后，地震反映有了不同幅度的减小。三种方案，结构的最大顶点位移分别为148.2mm，106.5mm，56.6mm，减震率分别为28.1%和61.8%；顶部相对位移分别为1/308，1/557，1/1157，减震率分别为44.7%和73.4%；最大的层间相对位移分别为1/103，1/134，1/271减震率分别为23.1%和62.0%。通过以上比较得知方案三的减震效果比方案二好。

4总结

通过对计算结果的比较分析，框架结构设置粘弹性阻尼器耗能支撑后，阻尼器发挥了良好的消能减震作用，在罕遇地震作用下，使得框架结构的抗震性能显著提高。设计布置粘弹性阻尼器时应注意以下几点：（1）阻尼器布置的数量并不是越多越好，应布置在层间变形较大的位置，充分发挥阻尼器的耗能作用；（2）阻尼器要尽量对称均匀布置，不要使结构发生较大的偏心作用力，以减小地震对建筑结构的扭转效应。

参考文献

周云.粘弹性阻尼减震结构设计[M].武汉理工大学出版社,2006.

程文, 隋杰英等.宿迁市大厦采用粘弹性阻尼器的减震设计与研究[J].建筑结构学报，2000; 21(3):30-35.

GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。