粘彈性阻尼器在加固工程中的應(yīng)用

1、粘彈性阻尼器在加固工程中的應(yīng)用【摘要】粘彈性阻尼器作為新型的耗能減震裝置可以 有效地提高已有框架的抗震性能，本文對(duì)某三層樓的鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性分析，比較了高阻尼下結(jié)構(gòu)的地震響 應(yīng)，確定了所需增加的阻尼比，并通過試算得到粘彈性阻尼 器的性能參數(shù)，將阻尼器輸入結(jié)構(gòu)模型得到相應(yīng)的地震反應(yīng) 數(shù)值，總結(jié)了粘彈性阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移、基底剪力和 延性等的影響，同時(shí)提出了粘彈性阻尼器在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注 意的事項(xiàng)。【關(guān)鍵詞】粘彈性阻尼器；彈塑性分析；高阻尼；引言隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，如何避免和減輕地震災(zāi) 害對(duì)建筑物造成的影響越發(fā)顯得重要。建筑物的設(shè)計(jì)理念和 整體質(zhì)量的提高，是減少地震災(zāi)害的有效

2、手段。傳統(tǒng)的抗震 設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度來保證結(jié)構(gòu)始終處于 彈性階段，但這樣的設(shè)計(jì)方式是很不經(jīng)濟(jì)的，尤其是那些年 代久遠(yuǎn)的舊有建筑，材料老化嚴(yán)重，再加上當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)施工 水平有限，整體加固不但費(fèi)用高，效果也不好。隨著耗能減 震技術(shù)在地震設(shè)計(jì)中的運(yùn)用日趨成熟，工程人員逐漸意識(shí)到 這種技術(shù)可以有效地提高既有建筑物的抗震能力。1. 粘彈性阻尼器抗震設(shè)計(jì)的原理 粘彈性阻尼器抗震設(shè)計(jì)是土木工程領(lǐng)域的一種新型抗 震設(shè)計(jì)，是結(jié)構(gòu)耗能減震體系的一個(gè)類型。粘彈性阻尼器的 主要原理就是把建筑結(jié)構(gòu)中某些特殊部位的非承重構(gòu)件轉(zhuǎn) 換為耗能裝置，例如支撐構(gòu)件、剪力墻或連接構(gòu)件等。在小 震時(shí)，這些耗能構(gòu)件或者耗能裝

3、置就會(huì)有充分的剛度，建筑 物的所有連接點(diǎn)就會(huì)處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行一定延 展，能夠在正常范圍下調(diào)整。而在強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)震環(huán)境下，這些 耗能構(gòu)件和耗能裝置就會(huì)第一時(shí)間保持非彈性狀態(tài)，這樣就 會(huì)產(chǎn)生較大阻尼，所有的耗能構(gòu)件和耗能裝置就會(huì)分散地震 的能量，建筑的主體機(jī)構(gòu)就不會(huì)出現(xiàn)明顯的破壞。2. 固體粘彈性阻尼器固體粘彈性阻尼器最早出現(xiàn)在 1969 年美國(guó)紐約的世貿(mào) 大樓，固體粘彈性阻尼器是通過高分子粘彈性材料的剪切變 形來耗散能量，它的耗能效果與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率，應(yīng)變和環(huán)境 溫度密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)工程中的粘彈性材料一般采用乙烯類材 料，固體粘彈性阻尼裝置的構(gòu)造是將粘彈性材料通過鋼板聯(lián) 系起來，如圖 1圖一、

4、固體粘彈阻尼器結(jié)構(gòu)3. 粘彈性阻尼器抗震設(shè)計(jì)在工程中的應(yīng)用工程概況， 某三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)綜合樓 （見圖 2） 結(jié)構(gòu)的平面尺寸為 70X16.2m2 ，總高 11.4 米，現(xiàn)澆鋼筋混凝 土梁，板，柱。由于結(jié)構(gòu)屬于早期建筑，無法滿足目前的抗 震設(shè)計(jì)要求，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造。原設(shè)計(jì)中橫向地 震力由剪力墻承擔(dān)，縱向通過框架結(jié)構(gòu)抵抗地震力，因此僅 考慮在框架的縱向增加阻尼。室內(nèi)環(huán)境溫度為 25 攝氏度， 粘彈性阻尼器可以正常工作。圖二、結(jié)構(gòu)布置平面圖3.1 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析該鋼筋混凝土框架的固有阻尼比定為5%。采用調(diào)整比例的 El Centro 地震波，峰值加速度取 0.4g 設(shè)計(jì)地震。進(jìn)行 p

5、ushover 靜力彈塑性分析，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的延性需求與其變 形能力極限非常接近，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。3.2 確定所需的阻尼比。分別比較阻尼比為 5%，10%，15%，和 20%時(shí)結(jié)構(gòu)的響 應(yīng)可以看出，隨著阻尼比從 5%增加到 20%，頂點(diǎn)位移顯著 降低，而基底剪力只減少了 10%。分析表明增加阻尼可以有 效地減少對(duì)結(jié)構(gòu)的非彈性變形的要求，但如果結(jié)構(gòu)具有明顯 的非彈性變形，該阻尼對(duì)加速度或力的影響是有限的。這不 同于彈性響應(yīng)，位移和加速度隨阻尼比增加而減小。力與位 移的關(guān)系曲線如圖 3，對(duì)應(yīng)的阻尼 5%， 10%和 15%的位移。 如果結(jié)構(gòu)被限制在輕微的非彈性變形區(qū)（ BC 線）甚至在彈 性變

6、形范圍內(nèi)（ AB 線）通過增加阻尼基底剪力會(huì)大幅減小， 但這種情況并不實(shí)際。必須特別注意高阻尼下非彈性反應(yīng)譜的地震需求圖三、結(jié)構(gòu)總位移，底部剪力和阻尼之間的關(guān)系因此按 15% 作為初始設(shè)計(jì)目標(biāo)的阻尼比。3.3 選擇有效和可行的阻尼器位置 阻尼器可以布置在任何可以使阻尼器發(fā)生變形的地方， 設(shè)計(jì)中采用對(duì)角斜撐形式將阻尼器安裝在外圍縱向墻的兩 端及中間三個(gè)開間的 1 至 3 層。3.4 設(shè)計(jì)阻尼器阻尼器的剛度kd和損耗因子n通過試算得到。首先確 定目標(biāo)阻尼B，初步假定損耗因子 n,通過公式1獲得各樓 層的剛度，通過樓層剛度計(jì)算阻尼器的應(yīng)變量，由公式 2 并 預(yù)估阻尼材料的厚度得到阻尼的面積 AG為阻

7、尼材料的剪切儲(chǔ)存模量，可以查表獲得 (Shenand Soong， 1995)阻尼的應(yīng)變量應(yīng)考慮材料擁有 1/3 的設(shè)計(jì)余量，以確保 足夠的安全性。根據(jù)美國(guó)規(guī)范中粘彈性阻尼器等效阻尼比的估算公式 或者是抗規(guī)第 1 條可以導(dǎo)出臨界阻尼為 14.7%，這 是接近設(shè)計(jì)目標(biāo)的附加阻尼比。3.5 建立計(jì)算模型 輸入上述確定的阻尼器位置，參數(shù)，重新評(píng)估結(jié)構(gòu)的性 能。結(jié)構(gòu)的總位移減小，延性有明顯的提高，值得注意的是 基底剪力有略微的增加，這主要是由于采用的固體粘彈性阻 尼器有一定的附加剛度。4. 結(jié)論本文通某綜合樓的加固改造設(shè)計(jì)，介紹了固體粘彈性阻 尼器的工作原理，及其在實(shí)際工程中的運(yùn)用和具體的設(shè)計(jì)流 程，

8、并對(duì)已有結(jié)構(gòu)和增加阻尼器的結(jié)構(gòu)的位移，受力和延性 比較得到如下結(jié)論：1、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震反響應(yīng)通常是非彈性的，一 般會(huì)伴隨著永久變形和破壞。增加耗能阻尼器可以在混凝土 構(gòu)件開裂的早期階段耗散能量，防止破壞發(fā)展。因此，減震 結(jié)構(gòu)性能以及現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)必須考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的非彈性 范圍。2、當(dāng)結(jié)構(gòu)處于非彈性階段時(shí)，布置粘彈性阻尼器，可 以有效降低結(jié)構(gòu)的在地震下的樓層位移反應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)的抗 震性能。3、固體粘彈性阻尼器的耗能效果對(duì)結(jié)構(gòu)頻率和環(huán)境溫 度有關(guān)。4、阻尼器安裝的位置應(yīng)能夠最大程度地提高一階阻尼 比。一般設(shè)在結(jié)構(gòu)周圈構(gòu)件變形較大的地方，這樣可以起到 能量耗散的作用，并保護(hù)構(gòu)件不被破壞。5、不同于粘滯流體阻尼器，固體粘彈性阻尼器有一定的剛度，所以，基底剪力會(huì)略微增加粘彈性阻尼器的抗震設(shè)計(jì)是新興的抗震設(shè)計(jì)技術(shù)，具有 安全性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)合理性。相較于粘滯流體阻尼器，我 國(guó)在粘彈性阻尼器抗震設(shè)計(jì)上的運(yùn)用還不多，只有更多的工 程實(shí)例才能進(jìn)一步提高和完善粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的分析和設(shè) 計(jì)方法，另外振動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)粘彈性阻尼器的影響，阻尼器參數(shù) 如何優(yōu)化需要更多的研究。參考文獻(xiàn)1周云 .粘彈性阻尼減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .武漢理工大學(xué)出版 社，