第30卷第3期
振动与冲击
JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK
高位转换粘滞阻尼减震结构阻尼器合理阻尼系数研究
吴从晓1,周 云1,邓雪松1,吴从永2
(1.广州大学土木工程学院,广州510006;2广州大学建筑设计研究院,广州510405)
摘 要:根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计
》对高位转换结构体系框支层的层问位移和
结构等效侧向刚度的限制要求,采用等效侧向刚度计算方法,将高位耗能减震结构分解成框撑剪力墙结构和纯剪力墙结
构,结合振型分解反应谱理论和线性粘滞阻尼减震结构等效阻尼比计算方法,推导出高位转换粘滞阻尼减震结构合理阻
尼系数的汁算公式。最后,通过算例
得出,采用上述方法计算高位转换粘滞阻尼减震结构粘滞阻尼系数是可行的,该
方法计算公式简单实用,可用于高位转换粘滞阻尼减震结构的初步设计。
关键词:高位转换耗能减震结构;粘滞阻尼器;阻尼系数
中图分类号:TU352.1 文献标识码:A
Optimaldampingcoefficientofviscousdamperinhigh-leveltransferstorystructure
WUCong.xia01,ZHOUYunl,DENGXue—son91,形UCong一妒增2
(1.SchoolofCivilEngineeringofGuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China;
2.ArchitectureDesignInstituteofGuangzhouUniversity,Guangzhou510405,China)
Abstract:Basedonthelimitationdemandsofinter—storydriftandequivalentlateralrigidityratioofhi|gh—level
transferstorystructurein‘‘TechnicalSpecificationforConcreteStructuresofTallBuildingandCode”forseismicdesignof
buildings,thecalculationmodelwas80adoptedthatthehigh-leveltransferstorystructureisdecomposedintoframe—shear
wallstructurebelowthetransferstoryandshearwallstructureabovethetransferstory,keepingconstantequivalentlateral
rigidityratio.Then,basedontheabovemodel,themodel-superpositionresponsespectrumtheoryandcalculationmethod
ofequivalentviscousdampingratioofstructure,thecalculatingformulaforoptimaldampingcoefficientofviscousdamper
inhigh—leveltransferstorystructurewithviscousdamperswasderived.Finally.asamplestructurewasstudiedutilizing
theabovemethod,andtheresultsindicatethattheproposedformulaisvalid,simpleandpractical.
Keywords:high-leveltransferstorystructurewithdampers;viscousdamper;dampingcoefficient
高位转换结构是指转换层位置设置超过《高层建
筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)(下简称《高
规》)中第10.2.2条规定的建筑,此种结构体系中转换
层以下楼层中剪力墙落地较少,转换层的上下楼层刚
度突变易产生薄弱层,是一种极不利于抗震的建筑结
构形式⋯。随着商业化的发展、国有土地资源的紧缺
和建筑使用功能的需求,目前不可避免该种体系在高
层建筑的出现,为解决高位转换结构体系存在的本质
问
,文献[2]和[3]提出了将耗能减震技术应用于高
位转换结构体系中,形成高位转换耗能减震结构新体
系,即在高位转换结构的转换层下部楼层中加入耗能
基金项目:国家自然科学基金项目(50678040);广东省自然科学基金团
队项目(8351009101000001);广东省自然科学基金项目
(81510091010013010)
收稿只期:2009—08—3l修改稿收到口期:2010一ol一04
第一作者吴从晓男,博上,1981年生
通讯作者周云男,教授.博士生导师,1965年生
减震装置(或代替原有的部分落地剪力墙),通过耗能
减震装置提供一定的附加阻尼或附加刚度来改变结构
的动力特性,并利用耗能装置耗散输入结构的地震能
量,对结构进行减震控制,减轻或避免结构在地震中产
生破坏或倒塌。文献[4~6]对高位转换耗能减震结构
体系进行了弹性和静力弹埋性分析研究,得出该种结
构体系是可行的,并且采用该种耗能减震结构体系后
能很好的改善原高位转换结构的抗震性能。
高传转换结构作为目前各城市建筑中采用较多的
结构形式之一,由于其自身抗震性能差的缺点,采用被
动控制的高位转换耗能减震结构必将成为主导体系之
一,然而,我国现行的《建筑抗震设计规范》(下简称
《抗规》)和《高规》相关章节中对高位转换耗能减震结
构的设计方法与内容方面都没有涉及,从而制约了高
位转换耗能减震结构体系在实际工程中的应用,为此,
本文结合目前规范中对高位转换结构体系的框支层的
层间位移角和结构的等效侧向刚度的限制要求,基于
万方数据
第3期 吴从晓等:高位转换粘滞阻尼减震结构阻尼器合理阻尼系数研究 181
振型分解反应谱理论,通过调整框支结构刚度后,在满
足规范要求的等效侧向刚度比和层间位移角限值前提
下,调整结构的顶点位移与不调整结构框支层结构刚
度的粘滞阻尼减震框支层减震结构等效阻尼比计算方
法,推导出高位转换粘的顶点位移相等或相近的基础
上,结合反应谱理论和线性粘滞阻尼减震结构等效阻
尼比计算方法,推导出高位转换粘滞阻尼减震结构阻
尼器的合理阻尼系数计算公式,该方法计算公式简单
实用,可为指导高位转换耗能减震结构设计提供依据。
1粘滞阻尼系数推导
1.1计算模型
由于高位转换结构体系的转换层位置一般都布置
于结构第三层以上,根据现有的研究成果和《高规》附
E中的要求,对底部大空间层数大于1层时计算结构等
效侧向刚度的结构模型作为结构本文的计算模型1(本
文介绍的模型1中框支层的层间位移角和等效侧向刚
度比是不满足规范要求,在模型框支层中需布置粘滞
阻尼器,并且阻尼器在转换层以下楼层采用均匀连续
布置),如图1所示,模型中转换层上部结构总高度致
应与下部结构总高度且接近,并且不应大于凰。对模
型1中转换层以下框支层的剪力墙的数量或柱截面进
行调整,使模型计算出的等效侧向刚度比满足高规中
式(E.0.2)要求,此时的新模型为本文计算模型2。
霪
(a)转换层及框支结构 (b)转换层上部结构
图1计算模型
Fig.1Calculationmodels
1.2结构顶点位移
对模型2进行地震作用下的反应谱分析,得出结
构的顶点位移儿扪根据本文的前提条件,即模型l中
框支层顶点位移和模型2框支层顶点位移相等,可
得出:
Yl=Y硝 (1)
式中:Y,tlf为调整剪力墙数量或柱截面后模型2框
支结构顶点位移;Y。为布置粘滞阻尼器模型1的框支
结构顶点位移。
根据结构动力平衡条件,布置粘滞阻尼器的多质
点耗能减震结构的运动方程为"1:
Mii(‘)+(q+CrD)五(t)+Ku(t)=一M//。(£)(2)
五(t)+2(孝,+孝D)∞:五(t)+n’2。口(t)=一五;(t)(3)
式中:%为粘滞阻尼器具线性粘滞系数或等效粘滞系
数矩阵;e为原结构阻尼系数矩阵;玉为粘滞阻尼器
的附加阻尼比;孝,为原结构阻尼比;M为结构质量矩
阵;K为结构刚度矩阵;五(t)、五(t):H(t)分别为结构的
加速度、速度和位移向量;∞。为结构第凡阶圆频率。
为了使方程(3)能进行振型分解,则需要使结构的
非比例阻尼矩阵对角化旧J,由瑞雷阻尼理论可得:
c。=diag(2手。InJlMl,2孝吐6口2M2,⋯,2f,。(【,。M。)(4)
式中:膨。,⋯,M。为结构各振型广义质量,即Mi=
ATi蝴;,A为结构振型矩阵。
根据式(3),结合振型分解反应谱法可得模型
1——高位转换粘滞阻尼减震结构中框支结构顶点位
移,即:
群』游 ㈤
式中:Y’『l为第_『振型转换层以下结构顶点位移;s埘为
第J振型转换层以下结构的位移谱值;y。为第J振型参
与系数;x。为第/振型转换层以下结构顶点的水平相
对位移。
将式(1)代人式(5)中,等式中只有未知谱位移参
数,谱位移参数与结构的阻尼比是相互关联的,为此,
通过计算谱位移参数,可推导模型l在满足式(1)条件
下粘滞阻尼器需附加给结构的阻尼比,从而得出粘滞
阻尼器粘滞阻尼系数。当模型1转换层以下框支层数
较少时(小于8层),可采用简化方法计算,计算时可不
考虑扭转振型效应对结构顶点位移的影响。
1.3粘滞阻尼系数计算
为了求出高位转换粘滞阻尼减震结构转换层以下
框支层的顶点位移,则需求结构的位移反应谱,根据文
献[8]“13],将《抗规》中的加速度反应谱进行转换
可得到位移反应谱,即:
Sd2再亡万sn邻。2瓦囊F西sn(6)
式中:s。为位移反应谱;S。为加速度反应谱;to为结
构频率;亭为结构阻尼。
对于高位转换结构体系,转换层以下框支层的楼
层层数一般都大于3层,为此,转换层以下框支层结构
周期基本都大于0.1s,并且在多数情况下结构转换层
布置的位置的楼层数也不会超过20层,由高层结构周
期的估箅公式,可确定转换层以下框支层结构的周期
在0.1srst,则模型1——高位转换粘滞阻尼减震
结构中框支结构的位移反应谱曲线为:
万方数据
182 振动与冲击 2011年第30卷
0.1≤Tst
Sd=
严
(2百)2(1一亭2)
t
施工中的缝隙及其它因素的影响,当阻尼器两端
的位移采用结构层位移值计算时,应对其值进行折
减[14,”3),由《抗规》公式(12.3.4—1—12.3.4—3)
可得:
WD=(21T2/T。)∑Cocos2嘭鹭
形=虿1∑Eui
, 肜
考et2丽:
(8)
式中:Wo为所有阻尼器往复一周消能的能量;形
为结构的总应变能;△,为第J个阻尼器两端的相对水平
位移;臼i为第,个阻尼器方向与水平方向的夹角;T。为
结构的基本周期。
由式(8)可反算出结构中附加粘滞阻尼器的等效
线性粘滞阻尼系数CD。
2算例
2.1结构概况
某20层高位转换结构,在结构第七层顶设置转换
大梁,结构的平面布置如图2所示,结构2层和7层楼
层层高为4.5m;2—6层楼层层高为4.2m,转换层以
上楼层层高为3m,构件的截面尺寸如表1所示,结构
楼面活载为2.0kN/m2,设计地震分组为第1组,场地
类别为Ⅱ类,设防烈度为8度,设计基本加速度0.29。
表1构件参数
Tab.1Modelparameters
芒筮驾。幽i幽J蛐l幽Jj §§!!I! 』 §§i!Q j §§鲤 J§§嫂 l §§业 J
(a)转换层E部结构
图2模型1平面图
Fig.2Plansofmodel1
2.2分析结果’
对原算例转换层以下框支结构进行修改形成模型
2,平面如图3所示。按照《高规》计算得出结构等效侧
向刚度比y。,=1.006、‰=O.97,基本能满足《高规》
要求,采用反应谱法计算结构顶点位移Y删,=15.54
mm、y枷,-13.88mm,为使结构两轴方向的阻尼比接
近,则Y.=14.66mm。由上节计算方法计算得出高位
转换粘滞阻尼减震结构框支层顶点位移为14.66mm
时,结构总阻尼比f=0.266,则需要布置粘滞阻尼器的
粘滞阻尼系数为CD=276kN·s/mm。根据计算出的
粘滞阻尼系数值,在框支层每层布置四组阻尼器,则每
个阻尼器的线性阻尼系数取140kN·s/mm。采用单斜
支撑布置形式,阻尼器布置位置如图2(b)所示。
对高位转换粘滞阻尼减震结构(模型1)和普通结
构(模型2)采用ETABS软件进行反应谱和时程分析,
时程分析采用神户波(KOBE波)和北岭波
(NORTHRIDGE波),按规范要求凋整地震波的峰值加
速度。结构周期如表2所示,反应谱和时程分析的楼
层剪力和层间位移角如图4~图5所示。从分析结果
中可以看出,高位转换耗能减震结构的抗侧刚度明显
小于普通结构,然而高位转换耗能减震结构的楼层剪
力明显小于普通结构,减小约为50%;高位转换耗能减
震结构在转换层以下框支结构的层间位移角也能满足
规范要求的限值,与普通结构基本相同,但转换以上剪
力墙结构的层间位移角明显的小于普通结构,减小也
约为50%,可能会加大转换层附近结构层间位移的突
万方数据
第3期 曼从晓等:高位转换粘滞阻尼减麓结构阻尼器合理阻尼系数研究
变,对结构的抗震性能不利,为此,高位转换耗能减震
结构体系易同时采用位移型和速度型耗能减震装置进
行综合控制结构的地震反应,减小转换层位移突变。
亵2结构局期
Tab.2Structuralperlods
图3调整后平而圈(模喇2
Fig3Plansofnixie]2
J£川址移mx10‘
(bl堪叫位移m
图4反麻谱分析结果
r。g4Analysisresuhsunderr∞mu⋯"rlⅢmaftlon
。≯踹恶淼(h)J;川似穆m
罔6 NORTHRIDGE波分析
FlⅡ6Anal:sisn·㈦I=;¨¨“rNORTHRIDGEwuvt·u·㈨¨
万方数据
184 振动与冲击 2011年第30卷
3结论
本文对高位转换粘滞阻尼减震结构中粘滞阻尼器
的合理阻尼系数取值进行了研究。得出以下结论:
(1)基于本文提出的高位转换粘滞阻尼减震结构
的合理粘滞阻尼系数计算方法是可行的。
(2)采用高位转换粘滞阻尼减震结构同样能达到
通过增加转换层以下框支层抗侧刚度方法(增加剪力
墙数量)来满足规范限值要求,并且采用高位转换粘滞
阻尼减震结构后结构的层剪力明显小于普通结构,结
构抗震性能得到了进一步改善。
(3)高位转换耗能减震结构体系易同时采用位移
型和速度型耗能减震装置进行综合控制方法或减少转
换层上部剪力墙的数量实现更好的地震反应控制
效果。
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(上接第164页) 参考文献
函
耀
塔
容
图16沙漏能与内能对比示意图
Fig.16Comparisondiagramofinternalenergyandhour91assenergy
4结论
(1)根据动力学原理和Lagrange乘子约束,提出
了考虑惯性载荷的螺旋锥齿轮动态啮合分析有限元模
型,为客观、准确地分析螺旋锥齿轮的动态啮合性能提
供了必要的准备。
(2)惯性载荷对齿轮运动特性和齿面接触力的波
动幅值和频率均有显著影响:随着惯性载荷的增大,齿
面接触力的波动幅值增大,波动频率减小。
(3)惯性载荷对轮齿接触的接触区宽度、齿面接
触应力以及最大应力位置有明显影响:随着齿轮惯性
载荷的增大,接触区宽度增大,齿面接触应力增大。
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万方数据
高位转换粘滞阻尼减震结构阻尼器合理阻尼系数研究
作者: 吴从晓, 周云, 邓雪松, 吴从永, WU Cong-xiao, ZHOU Yun, DENG Xue-song, WU
Cong-yong
作者单位: 吴从晓,周云,邓雪松,WU Cong-xiao,ZHOU Yun,DENG Xue-song(广州大学土木工程学院,广州
,510006), 吴从永,WU Cong-yong(广州大学建筑设计研究院,广州,510405)
刊名: 振动与冲击
英文刊名: JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
年,卷(期): 2011,30(3)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zdycj201103036.aspx