104-粘滞阻尼墙减震机理与参数研究-丁洁民

第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文
2016 年
所选地震波频谱分析结果见图 8。分析软件采用 ETABS9.7.4，其中梁、柱采用杆单元模拟，楼板采用膜单 元模拟，粘滞阻尼墙采用基于 Maxwell 模型的 Damper 单元模拟。经过计算，粘滞阻尼墙提供的平均附加 阻尼比为 5.8%。
0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 规范反应谱 7条地震波反应谱均值
第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文
2016 年
粘滞阻尼墙减震机理与参数研究
丁洁民 ，陈长嘉 ，吴宏磊 ，王世玉
1,2 1 1 2
（1.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092；2.同济大学土木工程学院，上海 200092）
摘
要： 粘滞阻尼墙是一种性能良好的消能减震部件， 可适用于多层、 高层和超高层建筑结构的抗震和抗风设计。 本文从附加阻尼作用和动刚度作用两个方面阐述了粘滞阻尼墙的减震作用，并通过具体的算例进行验证。 然后分别就阻尼指数和阻尼系数对减震效果的影响进行研究，得到以下结论：当阻尼指数取 0.3~0.5 时， 结构可获得较好的减震效果；而阻尼系数越大，减震效果越好，但相应地对阻尼墙和连接部位的要求更 高。
采用粘滞阻尼墙进行减震，每层 X 向和 Y 向各布置两片阻尼墙，竖向连续布置，共计 112 片，具体 布置如图 7 所示，阻尼墙参数取 C=1000 kN·(s·m-1)0.45，α=0.45。
(a) 平面布置 图 7 粘滞阻尼墙布置示意
(b) 立面布置
选取 7 条地震波 （包括 5 条天然波和 2 条人工波） 对结构进行弹性动力时程分析， 计算结果取平均值，
地震影响系数
周期
图 8 七条案三 模型说明 无阻尼墙结构 无阻尼墙结构+ 粘滞阻尼墙 无阻尼墙结构+ 附加阻尼比 5.8%
采用表 2 所示三种方案进行对比，在所选 7 组地震波作用下进行弹性动力时程分析，得到结构的层间 位移角和层剪力分布如图 9 所示。
700 500 300
阻尼力/kN
100 ‐8 ‐6 ‐4 ‐2 ‐100 0 ‐300 ‐500 ‐700 2 4 6 α=0.1 α=0.3 α=0.5 α=0.9 8
变形/mm
图 14 不同阻尼指数下阻尼墙滞回曲线
通过以上分析可知，从结构的减震效果考虑，阻尼指数存在较优的取值范围。一般而言，当阻尼指数 取 0.3~0.5 时，可以较好地发挥阻尼墙的耗能作用，取得较优的减震效果。 3. 2 阻尼系数 采用 5.2.3 节的算例结构和相同的粘滞阻尼墙布置，粘滞阻尼墙阻尼指数保持不变，改变阻尼系数， 如表 6 所示。对算例结构进行弹性动力时程分析，得到不同阻尼系数下的结构附加阻尼比和结构响应如表 7 和错误!未找到引用源。至错误!未找到引用源。所示。 表 6 粘滞阻尼墙参数
C=3000 C=4000 C=5000 C=6000
速度v
速度v
图 10 阻尼墙阻尼力-速度关系曲线（阻尼系数不变）
图 11 阻尼墙阻尼力-速度关系曲线（阻尼指数不变）
下面将分别研究阻尼指数和阻尼系数对粘滞阻尼墙结构减震效果的影响。 3. 1 阻尼指数 采用 2.3 节的算例结构和相同的粘滞阻尼墙布置，粘滞阻尼墙阻尼系数保持不变，改变阻尼指数，如 表 4 所示。对算例结构进行弹性动力时程分析，得到不同阻尼指数下的结构附加阻尼比和结构响应见表 5 和错误!未找到引用源。至错误!未找到引用源。 。 表 4 粘滞阻尼墙参数
‐10.0%
阻尼指数
阻尼指数
图 12 附加阻尼比与阻尼指数关系曲线
图 13 基底剪力和最大层间位移角减幅与阻尼指数关系曲线
从图表中可以看出，随着阻尼指数的增大，无论是附加阻尼比、基底剪力减幅还是最大层间位移角减
第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文
2016 年
幅，均呈现先增大后减小的趋势。观察阻尼墙在不同阻尼指数下的滞回曲线图（图 14） ，可以看到： （1）当阻尼指数较小时，阻尼力很大，但滞回曲线的围合面积却很小，此时阻尼墙的作用更接近于 弹性杆作用，阻尼墙发挥的主要是动刚度作用，因此结构附加阻尼比很小，层间位移角减幅较大，而基底 剪力较之无阻尼墙结构增大； （2）当阻尼指数较大时，阻尼墙变形较大，但阻尼力较小，相对而言阻尼墙发挥的主要是附加阻尼 作用，但阻尼墙滞回曲线的围合面积也较小，因此结构附加阻尼比较小，相应的基底剪力减幅和层间位移 角减幅较小； （3）当阻尼指数中等时，阻尼墙的阻尼力和变形均较大，且滞回曲线的围合面积也较大，此时阻尼 墙的动刚度作用和附加阻尼作用都比较明显，结构附加阻尼比较大，基底剪力减幅和层间位移角减幅均较 大。
第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文
2016 年
3 粘滞阻尼墙参数研究
粘滞阻尼墙是一种速度相关型阻尼器，其阻尼力与速度的关系为[8]：
F Cv （1）
影响阻尼墙本身性能的参数包括阻尼指数 α 和阻尼系数 C，分别改变阻尼指数和阻尼系数，得到不同 参数下阻尼墙阻尼力-速度的关系曲线如错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。所示。可以看到： （1）阻尼指数越小，阻尼力随速度的变化在低速段的增长越快； （2）在其他条件不变的情况下，增大阻尼系数可有效增大阻尼墙阻尼力。
方案一 最大层间位移角 1/575 （100%） 4814 （100%） 方案二 1/863 （67%） 4250 （88%） 方案三 1/805 （71%） 4037 （84%）
基底剪力（kN）
（注：括号内百分比为其他方案与方案一对应项的比值）
从图 9（a）可以看出：相比于方案一，由于附加阻尼比的作用，方案二和方案三的层间位移角均有减 小；对比方案二和方案三，方案二由于粘滞阻尼墙的动刚度作用，层间位移角较方案三又有所减小。 从图 9 （b） 可以看出： 相比于方案一， 由于附加阻尼比的作用， 方案二和方案三的层剪力均有所减小； 对比方案二和方案三，方案二由于粘滞阻尼墙的动刚度作用，结构整体刚度有所增大，层剪力较方案三有 所增加。 以上分析结果验证了粘滞阻尼墙对主体结构的作用主要表现在附加阻尼和动刚度两个方面。
30 25 20 方案一 方案二 方案三
30 25 20
楼层
方案一 方案二 方案三
楼层
15 10 5 0 0 0.001 层间位移角 0.002
15 10 5 0 0 2000 4000 6000 层剪力/kN
(a) 层间位移角对比 图 9 结构响应对比
(b) 层剪力对比
表 3 各方案基底剪力和最大层间位移角对比
0.7 1.62% 1/618 8.9% 4990 16.7%
0.9 0.70% 1/597 5.5% 5118 14.5%
附加阻尼比
3.0% 2.0% 1.0% 0.0%
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
减幅
5.0% 0.0% ‐5.0% 基底剪力减幅 最大层间位移角减幅 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
（a）未变形形状（b）变形后形状 图 2 粘滞阻尼墙工作原理示意图
与所有速度相关型阻尼器相同，在静力荷载作用下，粘滞阻尼墙不发挥作用。在动力荷载作用下，阻 尼墙的减震作用可以从附加阻尼作用和动刚度作用两方面理解[6][7]。 2. 1 附加阻尼作用 往复动力荷载作用下，粘滞阻尼墙产生滞回耗能，为结构提供附加阻尼，降低结构响应。阻尼墙的减 震效果可以用附加阻尼比的大小衡量，此时结构的总阻尼比等于结构的固有阻尼比加上阻尼墙的附加阻尼 比。随着结构阻尼比的增加，结构的阻尼耗能增大，结构的地震响应随之降低。 附加阻尼作用在规范反应谱中也有所体现，如图 3 所示，随着结构阻尼比的增加，地震影响系数逐渐 降低，按照振型分解反应谱计算所得的地震力也随之降低。
(a) 三维效果图
(b) 平面布置图 图 6 框架结构模型
(c) 立面布置图
表 1 模型的截面尺寸
方案 楼层 1~6 框架结构 7~12 13~19 20~28 框架柱 中柱 1100x1100 1000x1000 900x900 800x800 边柱 1000x1000 900x900 800x800 700x700 强度等级 C60 C60 C50 C40 400x900 C30 截面 框架梁 强度等级
图 1 粘滞阻尼墙
粘滞阻尼墙作为一种消能减震部件，如何使其发挥最优的耗能效率是设计的关键。本文作者已经对粘 滞阻尼墙在结构中的布置效率进行研究[3]， 事实上， 粘滞阻尼墙的耗能效果还与其自身阻尼参数密切相关， 实际设计中常需要依据建筑规模及减震要求，合理选择阻尼墙参数[4]。本文将首先从附加阻尼作用和动刚 度作用两个方面阐述粘滞阻尼墙的减震机理，并通过算例进行验证，然后分别研究阻尼指数和阻尼系数的 取值对阻尼墙减震效果的影响， 掌握阻尼墙的减震规律， 为实际设计过程中阻尼参数的取值提供有益参考。
阻尼系数/kN/(m/s)α 1000 0.1 0.2 0.3 阻尼指数 0.4 阻尼指数 0.1 0.09% 1/653 13.7% 6523 -8.9% 0.2 1.36% 1/675 16.5% 5648 5.7% 0.3 3.36% 1/689 18.2% 5196 13.2%
20.0% 15.0% 10.0%
0.5
0.7
0.9
表 5 不同阻尼指数下结构附加阻尼比和结构响应
对比项 附加阻尼比 最大层间位移角 减幅 基底剪力/KN 减幅
5.0% 4.0%
无阻尼墙结 构 — 1/564 — 5988 —
0.4 4.02% 1/680 17.1% 4960 17.2%
0.5 3.32% 1/654 13.9% 4961 17.1%
0.2 阻尼比4% 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 3 4 5 6 阻尼比6% 阻尼比8% 阻尼比10%
地震影响系数
周期/s