某廠房附屬結構減震阻尼器參數分析

摘 要：為研究粘滯阻尼器參數變化對于上部運輸系統與主體結構之間相對位移減震控制效果的影響。依據廠房自身特殊的工藝要求提出相應減震位移性能指標，利用Midas/Gen建立主-附耦合結構模型，選擇其中某一橫向單榀結構進行動力時程分析，綜合各項計算指標，選出減震效果最優的參數組合，以此為依據進行整體耦合結構減震效果分析。結果表明，粘滯阻尼器的設置可以極為有效地控制上部運輸系統與主體結構之間的相對變形。所得結果可為同類附屬結構減震設計提供參考。

關鍵詞：附屬結構;粘滯阻尼器;參數分析;性能指標

近年來，隨著對大型工業廠房的工藝要求的不斷提高，為了滿足其復雜的使用功能，大量附屬結構的設置成為了必然的趨勢。與此同時，隨著附屬結構與主體結構之間質量之比的逐漸增小，地震作用下，附屬結構地震響應也將逐漸增大，從而其因地震破壞的可能性也將大大增加。由此可見，對于附屬結構的減震控制研究就變得日益重要。

但是，目前設計時往往僅將附屬結構等效為質量荷載附加在主體結構上，忽略了附屬結構在地震作用下可能發生的破壞。為了解決這一問題，

本文以某廠房為工程背景，建立其主-附結構精細有限元模型，通過在主、附結構之間設置粘滯阻尼器來實現對附屬結構的減震控制。為了進一步研究阻尼器參數對于地震作用下阻尼器減震效果的影響，本文將選取整體結構中某一單榀結構進行阻尼器參數分析，選出最優參數組合，并以此為依據進行整體結構阻尼器減震效果分析。

一、工程概況及計算模型

對于該廠房而言，其主體結構跨度為76.5m，進深64m，采用鋼網架+鋼雙肢格構柱結構形式。屋蓋采用正交正放鋼網架，網架下弦中心標高27.00m，屋蓋支承形式為三邊支承，一邊開敞，開敞邊設置大門反梁。主體結構共設置支承柱22根，采用Q345B鋼。圖1為該廠房主-附結構精細化有限元模型。

對于該廠房而言，其主要附屬結構為懸掛于屋蓋下弦處的上部運輸系統。圖2所示的為在獨特的工藝要求下主、附結構之間實際連接構造情況。其中，主體結構與上部運輸系統之間僅由一組直徑為50mm 的實腹式圓桿（下文統稱為吊桿）相連。吊桿與屋蓋下弦相連端設置有縱向轉動的銷軸，從而運輸系統可以在縱向自由轉動。吊桿與運輸骨架相連端設置橫向轉動的銷軸，從而運輸系統可以在橫向自由轉動。正因為這樣的設計從而地震作用下，上部運輸系統將產生巨大的側向變形。

圖3為計算模型中上部運輸系統的示意圖。模型中通過釋放吊桿兩段的節點自由度來實現上部運輸骨架的自由移動。其中，吊桿與主體結構相連端通過釋放該節點繞單元自由度Z軸的轉動自由度來模擬懸吊系統縱向的自由轉動，而吊桿與運輸骨架相連端則通過釋放繞單元自由度Y軸的轉動自由度來模擬懸吊系統橫向的自由轉動。

二、粘滯參數阻尼器

液體粘滯阻尼器通常由油缸、活塞、阻尼介質以及節流孔組成。阻尼介質通過節流孔在以活塞為分隔的兩個腔體之間流動。在此過程中，阻尼介質的分子之間、介質與活塞、介質與缸體壁之間產生劇烈的摩擦，介質在通過節流孔時產生巨大的節流阻尼。這些作用所產生的力的合力即為粘滯阻尼器的阻尼力。

三、阻尼器參數分析

由式（1）可知，不同的阻尼器參數組合將直接影響阻尼器對于結構的減震效果。因此，選擇阻尼器最為合理的參數組合就變得尤為重要。本文為了選擇出最為合理的阻尼器參數組合，同時簡化計算成本，特選擇整體結構中X向，Y=36m處的單榀結構（如圖6所示）進行阻尼器參數分析，并選擇該單榀模型中某一吊桿兩端節點作為目標節點，通過對其地震響應進行分析，進而可以得出對應的上部運輸系統與主體結構各自的地震作用。

根據廠房所在的場地類型，選擇Coalinga _364波等7條地震波作為外部地震輸入。分別對單榀模型進行小震、中震和大震作用下的動力時程分析，地震波峰值依據《建筑抗震設計規范》[2]分別調整為小震0.07g、中震0.2g、大震0.4g，計算結果取7條加速度時程計算結果的平均值。

通過上述分析可知，當阻尼常數C越大且阻尼指數α越小時，阻尼器對于主、附結構之間相對變形的控制作用越為明顯。但此時，阻尼器出力也達到最大，但經過驗算，最大阻尼器出力值依然滿足安裝構件的強度要求，可以保證使用安全性。因此，最終選擇阻尼常數C=100kN[?]s/m，阻尼指數α=0.3這組參數作為粘滯阻尼器的最終使用參數。

四、結語

（一） 阻尼常數C和阻尼指數α這組參數的不同取值在很大程度上影響了粘滯阻尼器的減震控制效果。在本算例中，上部運輸系統與主體結構之間的相對變形隨著阻尼常數C的增大而減小，隨著阻尼指數α的增大而增大。而阻尼力則恰恰相反，即隨著阻尼常數C的增大而增大，隨著阻尼指數α的增大而減小。

（二）在保證阻尼器出力不會對連接構件產生強度破壞的情況下，應以主、附結構之間的相對變形值作為首要條件進行阻尼器參數選擇。

參考文獻：

[1]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2016.

[2]MIDAS/Gen用戶手冊[M].北京：北京邁達斯科技有限公司，2008.

[3]E. A. FIERROL，E. MIRANDA，C. L. PERRY，et al. Behavior of Nonstructural Components in Recent Earthquakes[C] // Architectural Engineering Conference，2011.

[4]李宏男，陳國興，劉晶波，等. 地震工程學[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[5]婁鋒. 大跨度斜拉橋阻尼器參數分析[J]. 世界地震工程，2015，31（1）： 129-133.

[6]FEMA E-74. Reducing the risks of nonstructural earthquake damage-A practical guide[S]. Washington. DC： Federal Emergency Management Agency，2012.

作者簡介：李勵哲（1991-），男，安徽省合肥市人，漢族，學歷：碩士，職位：土建工程師，職稱：助工，研究方向：結構工程。