粘彈性阻尼墻及其高層建筑結構風振控制性能研究

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摘要：粘彈性阻尼墻是一種新型的粘彈性阻尼器。本文根據已有文獻記錄，選取適當的粘彈性材料性能參數。基于Kelvin模型建立粘彈性阻尼墻的分析模型。以一棟36層的框架剪力墻結構為研究對象，利用ABAQUS有限元軟件建立安裝和未安裝粘彈性阻尼墻結構的有限元模型。利用AR模型（自回歸模型）生成人工風速時程，通過對兩種結構進行風振時程分析，比較兩種結構在受到風荷載激勵下的響應。結果表明，粘彈性阻尼墻可以有效減小結構風振響應，改善結構的舒適度

關鍵詞：粘彈性阻尼墻；框架剪力墻結構；風振時程分析

0概述

粘彈性阻尼器則是最早的一類成功安裝在高層建筑和其他結構上的用于減小結構地震和風振響應的被動耗能元件。粘彈性阻尼器具有力學性能穩定、耗能能力強、構造簡單、經濟實用等優點。

1研究現狀

1.1粘彈性阻尼器的研究與應用

1969年，美國3M公司的Mahmoodi研制出第一種用于土木工程領域振動控制領域的粘彈性阻尼器[1]。1991年至1993年，美國的Chang等對3M公司生產的粘彈性阻尼器進行了力學性能試驗，指出影響粘彈性阻尼器的力學性能的主要因素主要有環境溫度，加載幅值，加載的循環圈數以及激勵頻率等[2][3]。1998年至1999年，吳波，歐進萍等分別對國產的粘彈性阻尼器進行了試驗研究[4][5]。試驗確定了國產的幾種粘彈性阻尼器的力學性能，并指出了國產粘彈性阻尼器的不足，提出了改進建議。

1.2粘彈性阻尼墻的構造特點

基于粘彈性阻尼器的優點，粘彈性阻尼墻體充分利用建筑結構墻體所提供的空間，可以通過增加粘彈性材料面積來提供所需求的阻尼比以提高耗能能力，并且在所有的振動條件下都能進行耗能，即使在較小的振動條件下，也能夠獲得良好的耗能能力；粘彈性阻尼墻體力學模型簡單，分析設計方法明確易行；在不同的加載頻率和循環次數下，粘彈性阻尼墻體動力性能穩定、耗能能力強。

2安裝粘彈性阻尼墻結構風振性能分析

2.1粘彈性阻尼墻的恢復力模型

本文使用Kelvin模型模擬粘彈性阻尼器的力學性能，并假設忽略溫度對粘彈性材料的影響。建筑結構內的環境溫度較為穩定，且有研究表明，粘彈性阻尼材料的疲勞溫升對其性能影響不大[錯誤！未定義書簽。]。

2.2有限元模型簡介

（1）建筑結構概述

某高層商用寫字樓，高度為166m，地上36層，地下室3層，主要用作停車場，部分用作設備用房。地下室大底板結構標高為-12.8m。結構設計基準期為50年，安全等級為2級，抗震設防烈度為8度，設計基本加速度為0.2g，場地土特征周期為0.45s。當地重現期為50年的基本風壓為0.45kN/m2。

結構為框架—剪力墻筒體結構。外框柱為型鋼混凝土柱，內筒由鋼筋混凝土剪力墻組成。

（2）材料本構模型

粘彈性阻尼墻使用SPRING/DASHPOT單元模擬。根據給定的粘彈性材料的參數，阻尼墻尺寸及結構的一階自振頻率ω=1.8563rad/s，計算得到一片粘彈性阻尼墻的等效剛度系數k'=4.8×108N/m，等效阻尼系數c'=9.81×107N·s/m。粘彈性阻尼墻與結構的連接部件的剛度按照《建筑抗震設計規范》（GB50010-2010）12.3.5節規定，由式5計算得到支撐的剛度Kb=2.83×109N/m。連接件使用T3D2兩節點三維桁架單元模擬。

（1）

2.3風速時程及風荷載時程模擬

近年來，線性濾波法中的自回歸（AR）模型因其計算量小、速度快，在脈動風速時程的數值模擬中得到了廣泛的應用[7]。

（1）風速模擬參數

風速模擬參數如表1所示。模擬風速功率譜采用Davenport譜。上截止頻率為100Hz，下截止頻率為0.00001Hz最終人工風速時程為平均風速與脈動風速之和。風速時程樣本時長取105.4s，其中前三秒為緩沖步。計算時間步長Δt=0.1s，計算總步數為1055步。

（2）加載方式

在有限元模型中，模擬風速點為5.75，10.95，16.15，21.95，26.15，30.35，34.55，38.75，42.95，47.15，51.35，55.55，59.75，63.95，68.15，72.35，76.55，80.75，84.95，89.15，93.35，97.55，101.75，105.95，110.15，114.35，118.55，122.75，126.95，131.75，136.55，141.35，146.15，150.6，156.9，161（單位：m）處，每層加載點在每層樓板平面內。每個空間點的迎風面積取相鄰兩層xz面中心線之間的面積。

2.4模態分析結果

安裝阻尼墻對結構的振動特性影響不大，一階頻率僅提高了1%，可見阻尼墻的附加剛度對結構自身的振動特性影響較小。

2.5結構順風向風振時程分析結果

通過Matlab編程算出每層節點的脈動風速時程v（t）。將脈動風速時程變換到頻域當中，并且采用雙對數坐標進行目標譜與模擬譜的比較，可以看出模擬譜與目標譜吻合良好。

參考文獻：

[1]Mahmoodi P.Structural dampers[J].Journal of Structural Devision，ASCE，1969，95（8）：1661-1672.

[2]Chang K C，Soong T T，Oh S-T，Lai M L.Seismic Response of a 2/5 Scale Steel Structure with Added Viscoelastic Dampers[R].Technology Report NCEER-91-0012，Department of Civil Engineering State University of New York at Buffalo，Buffalo，New York 14260，1991.

[3]Chang K C，Lai M L，Hao D S，Yeh Y C.Seismic Behavior and Design Guidelines for Steel Frame Structures with Added Viscoelastic Damper[R].NCEER 93—0009，National Center for Earthquake Engineering Research，Buffalo，USA，1997.

[4]吳波，郭安薪.粘彈性阻尼器的性能研究[J].地震工程與工程振動，1998，18（2）：108-116.

[5]歐進萍，鄒向陽.粘彈性耗能器的性能實驗研究[J].振動與沖擊，1999，18（3）：12-19.