粘滯消能器消能減震結構設計的一般流程

劉維剛

【摘 要】本文主要介紹了粘滯消能器消能減震結構設計的一般流程。粘滯流體消能器內置液體，理論上不提供靜剛度，因此不影響附加消能器之后結構的周期和陣型；在簡諧振動下其力——位移滯回曲線呈橢圓型，表明消能器在最大位移狀態下受力為零，最大受力情況下位移為零；既可以降低地震反應中的結構受力，也可以降低位移反應。

【關鍵詞】消能減震 剛度 滯回曲線

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.05.087

采用粘滯流體消能器的消能減震結構一般設計步驟如下：

一、確定減震目標

根據結構自身情況及需求，確定相應的減震目標。在進行粘滯消能器設置設計時，減震目標通常體現為使結構的附加阻尼比達到某一設計值，從而使消能減震結構能達到設計規范的要求，且又不至于使得造價過高。

二、簡化計算

確定減震目標之后，采用等價線性化方法進行結構消能減震簡化設計。具體操作如下：

1.運行PKPM原結構模型（無消能器），計算并輸出層剪力、層間位移。

2.初步設計消能器的參數與數量。消能器的參數包括阻尼系數和阻尼指數。

3.根據消能器的參數、數量以及結構的層剪力、層間位移的控制目標，采用抗震規范中消能器附加給結構的有效阻尼比計算結構的附加阻尼比，X方向與Y方向分開計算，取兩個方向計算結果的較小值。

4.如果阻尼器的阻尼系數a=1，則附加阻尼比與結構位移幅值無關，無須進行迭代計算。將結構原有的阻尼比疊加上述計算得到的附加阻尼比后重新進行運算，查看結構各項指標是否滿足減震設計目標要求，并查看結構有無超筋情況。如果各項指標均滿足要求，即可確定各層粘滯消能器的參數及數量。否則，應重新設計消能器的參數與數量。

5.如果阻尼器阻尼系數a不等于1，則附加阻尼比與結構位移幅值有關，需要進行迭代計算。迭代收斂后，將結構原有的阻尼比疊加上述計算得到的附加阻尼比后重新進行計算，查看各結構各項指標是否滿足減震設計目標要求，并查看結構有無超筋情況。如果各項指標均滿足要求，即可確定各層粘滯消能器的參數及數量，否則，應重新設計消能器的參數與數量。

三、建立相應模型

簡化計算完成后，可以通過時程分析驗算減震效果。分別建立以下模型： 1.無消能器模型。即原模型，主要用于對比時程分析法與反應譜法計算得到的結構底部剪力。 2.有消能器模型。在無消能器模型的基礎上設置消能器的模型。

在MIDAS GEN中通過一般連接單元來模擬粘滯消能器，在軟件添加編輯一般連接特性值的頁面中，一般連接單元線性特征參數，主要包括：有效剛度和有效阻尼，在粘滯消能器-非線性特性值中的Maxwell模型中，一般連接單元非線性特征參數，主要包括：參考系數、參考速度、阻尼指數和連接部件的剛度。在建立一般連接單元時應注意消能器的變形方向。

在ETABS中則是通過設置非線性LINK（Damper）單元來模擬消能器的力學行為。非線性LINK（Damper）包括三個屬性，分別是剛度K、阻尼系數C和阻尼指數a。根據工程實際情況，一般連接單元可通過直接連接上、下梁中點的方式來建立，也可以先建立鋼支撐然后連接鋼支撐節點與上梁中點來建立。

四、時程分析計算

消能器的參數及數量初步確定后，應進行時程分析計算，具體操作步驟如下：

（一）輸入地震波

根據工程的建筑場地類別和設計地震分組選用不少于二組實際強震記錄和一組人工模擬加速度時程曲線。將所選擇的地震波文件添加到模型中。

（二）定義時程工況

定義相應的時程工況。應注意，無消能器模型和有消能器模型都應采用結構原有阻尼比。

（三）地震波評價

計算無消能器模型，輸出結構底部剪力。驗算所選的地震波是否滿足《建筑抗震設計規范》規定的“在彈性時程分析時，每天時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%”的要求。如果滿足要求，所選擇的地震波可用于工程設計，否則應重新選擇地震波。

五、減震方案效果評價

通過輸出兩個模型中各層層剪力及層間位移角來驗證減震方案的效果。同時還可以通過輸出消能器的滯回曲線，查看消能器的變形及出力情況。

六、減震目標

檢驗消能器方案的減震效果是否滿足目標的要求，同時還應檢查結構的扭轉比、層間位移角及其他各項指標是否滿足規范要求。如均滿足要求，則確定該減震方案為最終方案，否則應調整方案重新進行設計。

七、確定消能器型號及參數

消能器產品選型時根據罕遇地震下消能器的最大出力來確定，當上述計算為多遇地震或者設防地震時，可根據F大震=F小震X6a、F大震=F中震X2a簡化估算大震下粘滯消能器的出力，粘滯消能器力學模型表達式如下：F=CVa （1-1）式中，F為阻尼力；C為阻尼系數；a為阻尼指數，常在0.3-1.0之間；V為最大速度。

可根據F、C、a來反算該消能器的最大速度V，從而確定消能器的所有參數，此時粘滯流體消能器設計院完成。注意，消能器準確的出力大小和變形需求需要通過大震彈塑性時程分析確定，上述處理方法為簡化處理方法。

參考文獻

[1]Constantinous M C，Syman M D，Tsopelas P，etal.Fluid viscous dampers in applications of seismic energy dissipation and seismic isolation[C]//Proc.ATC17-1 Seminar on Seminar Isolation，Passive Energy Dissipation，and Active Control，1993，2：581-592.

[2] Makris N，Constantinou M C，Dargush G F.Analytical model of viscoelastic fluid dempers Joural of Structural Egineering，1993，119（11）：3310-3325

[3] Passive and active structural vibration control in civil engineering[M].New York：Springer Verlag，1994.