粘弹性阻尼器在框架结构抗震中的应用研究

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　　摘要：本论文首先介绍了结构控制理论的提出及其发展，以及控制形式。然后对阻尼器进行了详细介绍，着重阐述了粘弹性阻尼器的耗能减震的原理及计算模型，详细说明了结构抗震控制设计方法的基本原理和步骤，并且运用有限元软件对一个设有粘弹性阻尼器的钢筋混凝土框架进行了动力时程分析。为实际工程中结构抗震控制应用提供了参考。

　　关键词：阻尼器,抗震,时程,有限元

　　1前言

　　结构抗震控制技术是在结构上设置耗能装置，通过耗能材料的变形来增大结构阻尼达到消耗地震能量，减小主体结构地震反应[1]。粘弹性阻尼器由于其显著的特性在工程中被广泛应用，它是一种与速度相关的被动耗能减震装置。结构控制在结构工程中的应用越来越重要。本文重点研究了粘弹性阻尼器对钢筋混凝土框架结构的抗震性能的改善。

　　2控制理论

　　结构振动控制(简称为结构控制)技术，是指通过采取一定的控制措施以减轻或抑制结构由于动力荷载所引起的反应[2]。该技术在土木工程界引起广泛兴趣始于1972年美籍华裔学者Yao J.T.P(姚治平)对结构控制这一概念的首次提出。结构控制根据是否需要外部能源可以分为被动控制、半主动控制、主动控制和混合控制。

　　被动控制是指不依靠外部能源输入的控制，其控制力是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生。半主动控制的控制力也是由控制装置自身的运动而被动产生，但在工作过程中控制装置可以利用少量外加能源主动调整自身的参数，从而间接起到调节控制力的作用。主动控制有外加能源，控制力是由控制装置依据某种控制规律，利用外加能源主动施加的，将现代控制理论和自动控制技术巧妙地应用于结构抗震，系统主要由传感器、运算器以及施力作动器三部分组成。混合控制由不同控制方式相结合的控制方法。是将主动控制和被动控制结合起来的控制方法，对控制技术进行优化组合，充分发挥各控制技术的优点，避开其缺点，可形成较为成熟而先进有效的组合控制技术。

　　3粘弹性阻尼器

　　粘弹性阻尼器一方面可以给结构提供附加刚度，另一方面可以提供附加阻尼，当结构遭受地震作用时，可以耗散结构的振动能量，结构主体本身需要消耗的能量减少，从而主体结构反应减少，使其免受损伤或破坏。它所具有的特点，恰当的阻尼，足够的初始刚度，耐久性能良好，能长期保持其初始性能，便于施工，后期维护容易，在土木工程控制装置领域具有很广阔的应用空间。因此本文选择被动控制装置中的粘弹性阻尼器作为研究对象。

　　粘弹性阻尼器[3](Viscous Elastic Damper，简称VED)一般由约束钢板和粘弹性材料组成，粘弹性阻尼器吸收、耗散能量的实现途径是，在主体结构受到地震作用下发生变形，将粘弹性材料夹在约束钢板之间，将T形钢板和中间的矩形钢板分别约束在主体结构上，地震作用下，被动反复轴向作用力能实现粘弹性材料的剪切滞回变形，约束钢板在被动力作用下两端发生相对运动，借助粘弹性材料的剪切滞回变形而耗散能量。

　　工程上对耗能部件的性能有一定的要求，评价阻尼器的耗能能力理想与否，首先需要检测阻尼器的滞回特性，滞回环饱满，说明其耗能能力很强，滞回环狭窄，说明其耗能能力欠佳。粘弹性阻尼器的典型滞回曲线，其滞回环呈椭圆形，具有很好的耗能性能，而且它在提供结构附加阻尼的同时，能提供给结构刚度。同时，耗能器应该具有优良的耐久性能，能长期保持其初始性能，低周疲劳性能好。由于粘弹性阻尼器中起耗能作用的是其中的粘弹性材料，影响此类材料性能的参数受主要有温度、频率和应变幅值，所以温度、频率和应变幅值自然成为粘弹性阻尼器性能的影响因素。因此，粘弹性阻尼器还应该满足性能稳定的要求。

　　4有限元计算模型

　　目前，描述粘弹性阻尼器力学性能的计算模型[4]主要有：Kelvin模型(等效刚度和等效阻尼模型)、Maxwell模型、标准线性固体模型、四参数模型(微段模型)、有限元模型和等效标准固体模型等等。

　　对于粘弹性阻尼器有：

　　(1)

　　(2)

　　式中，为粘弹性阻尼器的等效刚度; 为粘弹性阻尼器的等效阻尼; 为粘弹性材料的储能剪切模量; 为粘弹性材料的耗能剪切模量; 为结构的自振频率;A、t分别为粘弹性层的剪切面积和厚度。

　　可以看出，影响粘弹性阻尼器耗能减震效果的主要参数是粘弹性材料的储能剪切模量、耗能剪切模量和阻尼器自身的几何尺寸。材料学中把耗能剪切模量和储能剪切模量的比值定义为耗能因子。

　　粘弹性阻尼器有限元模型是由Tsai提出的，其本构关系为

　　(3)

　　式中，为特定函数，和是基本模型参数，由下式确定

　　(4)

　　式中，、、、和参数需要通过试验确定; 为工作温度; 为参考温度(确定参数试验时的环境温度)。

　　假设应变在时间步长和之间呈线性变化，可以导得在时刻粘弹性阻尼器的应力–应变关系为

　　(5)

　　式中，为应变前时效。

　　在该模型中，环境温度以存储在材料中的初应变能的形式来反映。地震过程中粘弹性材料温度的升高不是反映在温度项中，而以应变能的形式体现。由于能反映应变变化快慢和应变幅值的大小。因此该模型综合考虑了能对对粘弹性阻尼器性能产生影响的温度、频率和应变幅值，是较为准确的。

　　5算例分析

　　某综合服务楼，为6层钢筋混凝土框架结构，梁板柱均为现浇。层高为3.3m，纵向7跨，横向3跨，梁柱混凝土均采用C30。8度设防，工程位于设计基本地震加速度为0.20g的地区，场地类别为II类，设计地震分组为第二组。钢筋纵筋用HRB335，箍筋用HPB235。设计时根据以下步骤进行：①确定结构的性能要求和设计地震动要求;②确定建筑的结构性能并进行结构分析;③确定期望的整体阻尼比;④在结构上选择合适的可利用的阻尼器位置;⑤计算阻尼器的阻尼系数和刚度系数;⑥计算等效模型阻尼比、刚度和附加阻尼器结构的振型;⑦进行阻尼结构的分析。当第⑥步和第⑦步满足期望的阻尼比和结构的性能标准时，设计完成。否则，进行新的设计循环，产生新的结构性能、阻尼器位置、阻尼器的尺寸和性能，直至满足要求。

　　采用粘弹性阻尼器，布置于结构两端及中间横向框架的一、三、五层中，如图1所示。选取EL-Centro地震波，步长0.01秒，持时20秒。图2为布置阻尼器前后结构顶层位移时程比较图，可以看出，设置阻尼器后，结构的位移得到了明显的控制。

　　6 结论

　　本文对阻尼器在结构抗震中的应用、工作原理、性能要求、有限元模型及求解方法进行了研究，并通过实际算例进行了设置阻尼器前后结构性能及动力响应的对比分析，可以得到：

　　①结构中设置粘弹性阻尼器，在大震、小震情况下都能发挥作用;

　　②耗散能量的粘弹性材料性能受温度影响较为明显，所以粘弹性阻尼器的性能对温度很敏感;

　　③此阻尼器刚度在大变形的循环荷载作用下将产生一定程度的退化，但其低周疲劳性能好。

　　④设置阻尼器前后，框架结构顶点的最大位移、速度以及加速度时程响应幅值均有所降低;对结构进行控制之后，结构的动力性能发生了改变，抗震性能得到了提高。

　　参考文献

　　[1] 常业军，张富有，苏毅，程文瀼. 粘弹性消能结构的抗震设计反应谱及其工程应用[J]. 振动与冲击，2006，25(3)：54-57

　　[2] 常业军，苏毅，张富有，程文瀼. 工程结构采用粘弹性阻尼器的反应谱设计理论研究[J]. 振动与冲击，2007，26(3)：5-7, 22

　　[3] 刘元志. 粘弹性阻尼器在底部框架结构抗震加固中的应用[J]. 岩土力学，2002，23(z1)：227-230

　　[4] 徐赵东，赵鸿铁，沈亚鹏，张兴虎. 粘弹性阻尼结构的振动台试验[J]. 建筑结构学报，2001，22(5)：6-10