阻尼器在结构抗震中的应用

阻尼器在结构抗震中的应用研究

摘要：本文介绍了结构抗震控制理论及主要控制形式，阐述了粘弹性阻尼器的耗能减震原理和有限元计算算模型，并且运用midas软件对一五层钢筋混凝土框架结构设置粘弹性阻尼器前后进行模拟分析，通过对其动力性能进行对比，对抗震性能进行了评估，为粘弹性阻尼器在结构抗震中的应用提供参考。

关键词：阻尼器 ;抗震; 控制

abstract: this paper introduces the structural seismic control theory and control form, elaborated the viscoelastic damper energy dissipation principle and finite element calculation model, and use midas software to one five storey reinforced concrete frame structure with viscoelastic dampers and simulation analysis, based on its dynamic performance are compared, the seismic performance is evaluated, for viscoelastic dampers for seismic application provides the reference.

key words: damper; seismic; control

中图分类号：tu352.1+1文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012）

1 前言

地震是危及人民生命和财产的突发式自然灾害。因此，结构控制在结构工程中的应用越来越重要。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[1]。该技术在土木工程界广泛的应用和研究始于1972年美籍华裔学者yao j.t.p（姚冶平）对结构控制这一概念的首次提出，通过在结构上设置一些耗能装置，由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。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。本文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 抗震控制分类

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[2]。

⑴被动控制

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的。被动控制因其低廉的造价，相对良好的减震效果，实现容易等优点而引起了科研人员的关注，许多被动控制日趋成熟，并在实际工程中的抗震抗风控制中得到广泛应用。

⑵半主动控制

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。其控制精度较被动控制高，但具备被动控制系统的可靠性，只需少量的外加能源，造价较主动控制低廉，但

具有主动控制系统的强适应性，因而具有更广泛的应用和发展前景。

⑶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。其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。由于实时控制力可以随输入地震改变，其控制效果明显优于完全依赖于地震波特性的被动控制，但是它存在两个缺点，限制了它的应用，一是对于施力对象庞大，所需外加能源较大；二是控制算法复杂，引起时滞现象。

⑷混合控制

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 阻尼器计算模型

粘弹性阻尼器（viscous elastic damper，简称ved）一般由约束钢板和粘弹性材料组成，在约束钢板之间加粘弹性材料，粘弹性材料一般由聚胺脂、硅胶材料和其它高分子材料组成，t形钢板和矩形钢板分别被约束在主体结构上。主体结构受到地震作用下发生变形，约束钢板在被动力作用下两端发生相对运动，从而带动粘弹性材料产生剪切滞回变形而耗散能量。粘弹性阻尼器的有限元模

型由tsai提出的，其本构关系为[3]：

（1）

式中，为特定函数，和是基本模型参数，由下式确定

（2）

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[4]：

（3）

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。

4 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3.3米，纵向5跨，跨度为7.2米，横向3跨，跨度分别为6.0米、2.4米、6.0米，梁柱混凝土均为c30。工程位于设计基本地震加速度为0.20g的地区，8度设防，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。

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，如图1所示。选取el-centro地震波，步长0.01秒，持时

20秒。

图1 阻尼器布置

运用midas有限元软件最设置阻尼器前后的结构进行分析，可以得到设置阻尼器前后结构的前五阶自振周期如表1所示。从振型的周期对比可以看出，设置粘弹性阻尼器后，结构的周期变小，频率变大，说明设置粘弹性阻尼器后，结构的刚度有所增加，结构的动力性能发生了改变。同时，根据计算结果，可知，设置阻尼器后，结构的位移得到了明显的控制。

5 结论

运用midas有限元软件分别对一个设置粘弹性阻尼器前后的五层钢筋混凝土框架进行了动力时程分析。通过对结构抗震性能的评估、对比，可以得到：在结构中设置粘弹性阻尼器，可以在大震、小震情况下提高结构的抗震性能，也可用在超高层建筑抗风方面；耗散能量的粘弹性材料性能受温度影响较为明显，为了充分发挥功效，在设计阶段和使用阶段均需要合理的考虑温度项；阻尼器刚度在大变形的循环荷载作用下会产生一定程度的退化，但其低周疲劳性能好。

参考文献

李创第，余亚平，陆运军，葛新广. maxwell粘滞阻尼器耗能结构的等效阻尼分析[j]. 广西工学院学报，2011（1）：1-6 闫培雷，孙柏涛，陈洪富. 汶川地震震中某钢筋混凝土框架结