带黏滞阻尼器高层钢结构的抗震抗风性能分析.docx
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带黏滞阻尼器高层钢结构的抗震抗风性能分析
带黏滞阻尼器高层钢结构的抗震抗风性能分析
北京银泰中心主塔楼为酒店公寓楼,高248m,共60层,为纯钢结构.此主塔楼在大的横风向脉动风荷载作用下,结构顶部的加速度响应超过规范规定的关于人体舒适度的要求,因此,共设置了164个黏滞流体阻尼器,同时在加强层伸臂桁架处设置了24个无黏结支撑,满足了规范的要求[3].
结合北京另一未建大型带黏滞阻尼器工程,运用有限元软件ANSYS建立三维模型[4],研究黏滞阻尼器对高层钢结构地震和风振的影响.
1工程背景与计算模型
本文所研究的写字楼地上39层,地下5层,设计楼高为191.5m,地面以上主体结构采用钢结构,框架内筒结构体系,楼面采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼面.在方案优化阶段,提出在部分位置增加黏滞阻尼器以减小地震和风振反应.计算模型如图1a,梁柱采用BEAM188单元,支撑采用LINK8单元,楼板采用SHELL63单元,阻尼器采用COMBIN14,线性阻尼单元,具有刚度和阻尼两项功能,本文中刚度取为0.钢材的弹性模量为2.06105N/mm2,屈服强度为300N/mm2,钢材恢复力模型采用刚度衰减双折线模型[5],屈服后刚度为弹性刚度的0.02;混凝土为C30,弹性模量为3104N/mm2.主体建模39层,另外建一约束层,在楼顶另建一停机坪.图1b所示,黏滞阻尼器加于内主框架中间跨.
2时程分析与计算结果
2.1阻尼系数参数分析
时程分析输入的地震波选用场地类型为3类的地震波PEL作为激励输入,首先进行常遇小震时程分析,其峰值加速度为0.7m/s2,结构阻尼采用和质量、刚度有关的Rayleigh阻尼[6].在内主框架中间加439=156个线性黏滞阻尼器.下面针对空间框架,探讨阻尼器系数变化对结构动力性能的影响.计算结果如图2.
由图2a知,阻尼系数有一较合理的范围.若阻尼系数过大,则成本较高.故阻尼系数取为108MNs/m.此时,最大位移由244.7mm减小到217.2mm,减小了11.24%.最大底部剪力由20.2MN减小到16.24MN,减小了19.6%.此情况的原因主要是黏滞阻尼器存在阻尼力滞后,在高层建筑中,地震波的不断输入,会出现阻尼力和结构振动不同步的情况.若阻尼力是随着加速度的方向,则增大结构震动;若阻尼力是背着加速度的方向,则减小结构震动.
2.2三维多遇小震分析
从阻尼器布置位置参数分析.根据抗震规范,一般阻尼器设置在层间变形较大的位置.根据阻尼器的受力机理,提出另一种设计方案,设置在层间速度较大的位置.减少11个阻尼器,优化设计a是加在层间位移最大的28层,优化设计b是加在层间速度最大的28层,共428=112个.8度多遇地震下的计算结果,如图3,4所示.
由图3a可以看出,对于最大位移,全加阻尼器减小了11.23%,优化设计a减少了8.25%,优化设计b减小了9.91%.可以看出优化设计b效果好于优化设计a.图3b可以看出,顶层最大加速度减小15%左右,从第7层开始,层最大加速度有很大程度的减小.图3c可见,层间位移角均减小12%左右.从这个层间位移图可以看出,2个水平加强层几乎把整个结构分成了3个部份.在层间位
移角突变的地方,存在应力集中,应当引起注意.图4a所示,均加阻尼器时,阻尼器的最大阻尼力为1.29MN,出现在第8层;优化设计a时,阻尼器的最大阻尼力为1.43MN,出现在第7层;设计优化b时,阻尼器的最大阻尼力1.3MN,出现在第8层.分别取2种优化阻尼力最大的阻尼器,由阻尼器两端的相对位移得出阻尼器的位移和力曲线.阻尼器力和位移所包围的面积即为阻尼器所消耗的能量.计算得,图4b阻尼器耗能为86kJ,图4c阻尼器耗能为72kJ.
2.3三维罕遇大震分析
可见从最大位移看,优化b大于优化a,本节只对优化b进行罕遇大震下时程分析,其峰值加速度调整为4m/s2,计算结果如图5.可以看出,都有不同程度的减小.阻尼器耗能为1.67MJ,和常遇地震时单个阻尼器耗能相比,增加了20倍多.可以看出,地震波越强烈,阻尼器耗能越有效.
3随机风振响应计算结果
3.1模态分析
功率谱密度分析（PSD）称为随机振动分析.而结构的模态解是随机振动分析必须的前提步骤,表1给出了结构在X方向前10阶振型的自振特性.可见,对结构的动力响应分析至多只要取前10阶振型就能达到99%的程度.3.2随机振动分析加到0.1.风振计算结果如模态分析功率谱密度分析（PSD）称为随机振动分析.而结构的模态解是随机振动分析必须的前提步骤,表
1给出了结构在X方向前10阶振型的自振特性.可见,对结构的动力响应分析至多只要取前10阶振型就能达到99%的程度.（未控-无阻尼器;根据文献[7],加阻尼器后,近似计算阻尼比增控-优化设计b）图6所示.
从以上计算结果可知,该结构增设黏滞阻尼器后,受控下各层的位移均方根,速度均方根和加速度均方根都有不同程度的降低,均能达到50%以上.可以看出,受控效果比较明显.结构的功率谱密度见图7.结构的响应谱主要发生在2个区域:
一个是脉动风荷载的卓越频率区,图7a位移功率谱密度中最小频率处的峰值响应;图7b,7c是结构的自振频率区,速度以及加速度功率谱密度峰值与模态分析中第1,4振型相对应,而且这2个振型的振型参与系数以及有效质量都比较大,这说明结构的风振响应既有受迫振动又有结构共振[8].结构响应主要为在低频区与风荷载的振,对比之下,高频区的受迫振动并不明显.
4机理分析
对于设置速度线性相关型阻尼器的多自由度结构运动方程可以表示为
MsY+（Cs+Cd）Y+（Ks+Kd）Y=Fd（t）,
（1）
式中:
Ms,Cs和Ks分别为主体结构的质量、阻尼和刚度矩阵;Fd（t）为外荷载;Cd和Kd分别为阻尼器附加的阻尼和刚度矩阵;Y,Y和Y分别为加速度,速度和位移矩阵.当结构中设置线性黏滞阻尼器时,附加阻尼和刚度矩阵分别为Cd=[Cvij],Kd=[0],
（2）件和其它非结构构件的安全.即使阻尼器破坏,更换相当方便.阻尼器附加的阻尼矩阵Cd一般不满足振型正交的条件,但是一般情况下忽略非正交项不会产生太大的误差.于是,阻尼器附加给结构的阻尼比
di=
Ti
T
Cdi,
（3）
4
*
i
Mi
式中:
Cvij是由线性黏滞阻尼器的阻尼系数组成的附加阻尼矩阵的元素.据文献[2],增加黏滞阻尼器后,阻尼器消耗了大量的振动能量,保证了结构构式中:
Ti,*分别为结构第i振型的周期、振i和Mi型向量和广义质量.根据文献[5],可以近似计算规则高层建筑的第一振型附加阻尼比.对于单个线性黏滞阻尼器,其阻尼力为fd=cd（ud）,（4）式中:
fd为阻尼器的输出力;cd为阻尼器的阻尼系数,ud为阻尼器两端的相对速度,为阻尼器系数,介于0.2~2之间,本文中取=1.黏滞阻尼器的滞回曲线比较稳定,一般认为输出力与位移相位角相差90.
5结论
1）结构地震反应并不是一直随阻尼器阻尼系数的增加而减小,存在一个较合理的阻尼系数范围,对于本工程为100~200MNs/m.
2）增加阻尼器后,结构地震反应减小在10%左右;罕遇地震下,单个阻尼器最大耗能为20倍以上多遇地震最大耗能.
3）增加阻尼器后,风振反应减小50%,结构响应主要为低频区与风荷载的峰值共振,高频区的受迫振动并不明显！
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