高層廠房在粘滯流體阻尼器作用下的控制分析

武曉輝 劉瑜新

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454750; 2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 概述

近年來(lái)的破壞性地震和颶風(fēng)使我們深刻的認(rèn)識(shí)到即使是在一個(gè)先進(jìn)的工業(yè)國(guó)家，建筑環(huán)境仍然嚴(yán)重的受到自然災(zāi)害的影響。為了有效地降低這種影響，并提升結(jié)構(gòu)工程的穩(wěn)定性，需要對(duì)其抗震控制進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)[1]。目前結(jié)構(gòu)控制方式分為不同的類型，例如有主動(dòng)控制、被動(dòng)控制等方式[2]。20世紀(jì)50年代開(kāi)始出現(xiàn)了粘滯流體阻尼器，并逐步將其應(yīng)用到了建筑工程中，其在減振方面作用明顯，當(dāng)出現(xiàn)地震時(shí)，阻尼器能夠減小建筑結(jié)構(gòu)的位移與速度峰值，能夠有效地提升建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[3]。受到地震的影響，建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)容易出現(xiàn)攝動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)固有頻率和結(jié)構(gòu)受控頻率之間的調(diào)諧會(huì)引起飄移[4]。因此可以通過(guò)多重粘滯流體阻尼器技術(shù)來(lái)提升結(jié)構(gòu)控制的頻帶寬度和魯棒性。相關(guān)研究表明，建筑結(jié)構(gòu)在受到強(qiáng)震的影響時(shí)，其結(jié)構(gòu)本身會(huì)同時(shí)發(fā)生平移和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，使得動(dòng)力作用明顯地增大，容易對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成更大的破壞[5]。本文通過(guò)設(shè)置粘滯流體阻尼器，以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)平動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

2 工程概況

本文的主要研究對(duì)象是高層煤氣化結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，其長(zhǎng)、寬、高參數(shù)分別是55.7 m，18.1 m，63.9 m，整個(gè)廠房總共有12層，其中第1層與第10層之間的結(jié)構(gòu)都是鋼筋混凝土，而其他兩層是鋼結(jié)構(gòu)，每一層的高度都處于4 m～9 m范圍內(nèi)。此廠房抗震設(shè)防烈度達(dá)到了7度，屬于二類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)的基本地震加速度是0.15g。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)值模擬研究，現(xiàn)將粘滯流體阻尼器，安裝在第1層～第7層中間跨上，斜向布置，根據(jù)布置方案共設(shè)置粘滯流體阻尼器消能支撐43支。其三維實(shí)體模型如圖1所示，粘滯流體阻尼器布置圖如圖2所示，鋼支撐布置圖如圖3所示。

3 粘滯流體阻尼器選型及模態(tài)分析

阻尼力表示如下[6]：

(1)

其中，sgn為函數(shù)符號(hào)；α為流量修正系數(shù)(速度指數(shù))。

圖4中即為雙出桿型粘滯流體阻尼器的外形圖。

說(shuō)明：阻尼器總長(zhǎng)L是指活塞處于平面位置時(shí)，兩耳環(huán)的中心距，總長(zhǎng)可根據(jù)具體情況另行設(shè)計(jì)，通常總長(zhǎng)L=L1+L2+5×φd+5×1.2×s，其中,s為極限位移。由總長(zhǎng)計(jì)算公式，選擇的阻尼器具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)布置方案共設(shè)置粘滯流體阻尼器消能支撐43支。

表1 阻尼器的參數(shù)

對(duì)于粘滯流體阻尼器來(lái)說(shuō)，如果其固有頻率低于3 Hz時(shí)，即屬于一種無(wú)剛度阻尼器，此時(shí)阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)中并不改變結(jié)構(gòu)的原有剛度，只對(duì)結(jié)構(gòu)體統(tǒng)附加阻尼，形成流體阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的控制力[7]。在地震作用下，一般工程的振動(dòng)均為低頻振動(dòng)，振動(dòng)頻率小于3 Hz，因此能夠適用于上述情況。

所有結(jié)構(gòu)材料都使用了線彈性材料，然后進(jìn)行模態(tài)分析的過(guò)程，并得到了圖5中展示的前五階模態(tài)圖，基于此可有效地對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率等振動(dòng)特征進(jìn)行描述。通過(guò)圖5可看到不同階的變形特征，其中一、二階模態(tài)都是平動(dòng)變形，但前者是東西方向，后者是南北方向。第三階是扭轉(zhuǎn)變形，第四、五階都是二階平動(dòng)變形。

4 結(jié)構(gòu)振動(dòng)減振設(shè)計(jì)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

不同情況下的自振頻率見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)在四種情況下的自振頻率

5 結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

5.1 地震波的選取

表3 計(jì)算模型

模型模型組成建模目的M1煤氣廠房結(jié)構(gòu)研究地震對(duì)主結(jié)構(gòu)的影響M2加設(shè)鋼支撐模型研究鋼支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的影響M3加設(shè)粘滯流體阻尼器模型研究粘滯流體阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的影響M4加設(shè)粘滯流體阻尼器和鋼支撐研究粘滯流體阻尼器與鋼支撐共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先需要加載地震波，通過(guò)對(duì)其水平分量的處理就能夠獲得加速度標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，使其能夠更好地體現(xiàn)出地震波對(duì)各個(gè)自振周期單質(zhì)點(diǎn)體系的最大反應(yīng)。地震波的持續(xù)時(shí)間還需要滿足一定的條件，一般需要保持在12 s以上，其間隔一般設(shè)置為0.01 s或者是0.02 s[9]；本文中經(jīng)過(guò)分析之后將其持續(xù)時(shí)間與間隔時(shí)間分別設(shè)置為19 s與0.01 s。然后采用遷安波、天津波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行二階段地震彈塑性反應(yīng)分析。此時(shí)得到的地震波即為圖6。

表4 地震作用下結(jié)構(gòu)在各頂層最高點(diǎn)位移最大值 mm

5.2 振動(dòng)控制效果分析

計(jì)算模型及振動(dòng)控制效果見(jiàn)表3，表4，圖7～圖12。

6 結(jié)論

1)從表4，圖7，圖8能夠明顯的看到：a.地震波對(duì)于廠房造成了明顯的影響，各個(gè)模型的變化特征大體一致，位移峰值與層數(shù)趨近于線性關(guān)系，由此可以證明建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生的是彈性變形過(guò)程。b.兩組地震波作用下，添加粘滯流體阻尼器和鋼支撐后結(jié)構(gòu)的位移峰值降幅最大，單獨(dú)添加粘滯流體阻尼器次之，單獨(dú)添加鋼支撐對(duì)廠房減振作用最小,且有時(shí)會(huì)增大結(jié)構(gòu)的位移。c.當(dāng)添加粘滯阻尼器時(shí)位移峰值降幅達(dá)53.7%，對(duì)結(jié)構(gòu)的平動(dòng)抑制較強(qiáng)。

2)由圖9，圖10可知，在地震作用下添加鋼支撐結(jié)構(gòu)位移和速度有時(shí)會(huì)大于原結(jié)構(gòu)的位移和速度，對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)有不利影響。在新結(jié)構(gòu)中加入粘滯流體阻尼器后的位移、速度峰值都明顯地降低，可以證明其在減振方面能夠發(fā)揮較大的作用。

3)如果作用的地震波不一樣，結(jié)構(gòu)的地震時(shí)程響應(yīng)也不相同，由于結(jié)構(gòu)基本頻率與遷安波的頻率較接近[10]，故粘滯流體阻尼器的控制效果相對(duì)更好。

4)模型M4的峰值略小于模型M3的峰值，證明單一的粘滯流體阻尼器可達(dá)到抑制結(jié)構(gòu)的平動(dòng)目的，且能夠降低結(jié)構(gòu)的自重，并可節(jié)約部分鋼材。

5)相對(duì)于原始時(shí)程曲線和單獨(dú)加設(shè)鋼支撐的時(shí)程曲線，添加粘滯流體阻尼器之后的曲線表現(xiàn)出更加明顯的滯后性特征，如圖11，圖12所示。并且在天津波作用下，結(jié)構(gòu)的角位移和角加速度峰值分別降低39.2%和48.9%；在遷安波作用下，結(jié)構(gòu)的角位移和角加速度峰值分別降低23.3%和31.5%。故結(jié)構(gòu)的角位移和角加速度得到了較好的控制。由此表明，粘滯流體阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制效果也較好。