钢支撑混凝土框架结构的减震改造

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。 粘弹性阻尼器一般设在有较大相对变形
处， 粘弹性材料产生剪切滞回变形， 耗散结构的振动能量， 减 从而产生减震效果。 本文将粘弹性阻尼 小结构的振动响应， 器通过附加支撑的形式作为钢支撑混凝土框架结构的耗能 减震改造设计方案， 从层间位移角、 结构能量分配、 结构位移 时程响应、 加速度时程响应等方面， 对比分析未设置阻尼器 、 设置阻尼器工况下结构的地震响应 。 分析结果表明： 粘弹性 阻尼器可提高结构的整体抗震性能， 有效地降低结构的地震 响应。 一、 粘弹性阻尼器力学模型 目前已提出了多种粘弹性阻尼器的力学模型， 而每个模 型有各自不同的适用条件 。 本文采用基于等效刚度和等效 阻尼的 Kelvin 模型
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来模拟粘弹性阻尼器， 该模型体现了粘
弹性装置的瞬态弹性响应， 能很好地反映其蠕变和松弛现 象， 概念清晰、 简单适用。如图 1 所示， 该模型由一个线性弹 其恢复力 可以表示为： 簧单元和线性阻尼单元并联而成， f = c e u + k e u（ 1 ）
为：
E in 为地震输入结构的能量； E k 为结构的动能； E c 式中， E h 分别为结构的弹性应变能和 为结构本身的阻尼耗能； E e 、 滞回耗能； E d 为粘弹性阻尼器耗能装置提供的额外阻尼器耗 能。 三、 粘弹性阻尼器工程应用 （ 一） 工程概况。苏州某厂房减震改造项目分为东 、 西两 考虑为钢支撑混凝土框架体系， 共 3 层， 个独立的抗震单元， 总高度 7． 7m + 6． 8m + 7． 8m = 2词】 粘弹性； 阻尼器； 耗能； 减震设计 【作者简介】 贾大焕（ 1984 ～ ） ， 女， 河南人； 中国核电工程公司郑州分公司民用建筑设计研究所助理工程师 男， 安徽人； 中国核电工程公司郑州分公司民用建筑设计研究所助理工程师 鲍永健（ 1985 ～ ） ，
粘弹性阻尼器是由粘弹性材料与约束钢板交替叠合而 成的典型的被动减震装置， 以其性能优良、 安装简单、 造价低 廉和不会使受控结构系统发生不稳定等优点具有广泛的工 程应用前景
、 u u 分别为阻尼器的相对位移和相对速度； c e 和 式中， k e 分别为粘弹性阻尼器的等效阻尼系数和等效刚度系数； 可 按下式计算： n v · G2 · A v n v · G1 · A v G2 ce = ， ke = ， η= hv G1 ω· h v G1 、 G2 分别剪切储能模量和剪切损耗模量； A v 、 hv 其中，
（ 二） 粘弹性阻尼器参数与地震波选用 。 工程所采用的 粘弹性阻尼器的剪切储能模量和剪切损耗模量分别为 G1 = 3 × 10 6 N / m2 和 G2 = 2． 04 × 10 6 N / m2 ， 粘弹性层剪切面积和厚
2 度分别为 A v = 0． 052m 和 h v = 0． 014m， 粘弹性层层数 n v = 2 ，
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产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 3 期
能量的 63% ， 结构本身弹性应变能占地震输入能量的 35% 左 使结构 右。粘弹性阻尼器能有效耗散地震输入结构的能量， 处于弹性状态。
图2
结构和阻尼器布置模型图
图4
模型结构的层间位移角
行程 ± 40mm， 可提供最大 100kN 阻尼力。 在 SAP2000 有限 元分析中， 采用线性弹簧单元和粘滞阻尼单元的并联复合单 其中线性弹簧 元来实现粘弹性阻尼器的 Kelvin 模型的模拟， 粘滞阻尼单元的阻 单元的刚度为阻尼器的等效刚度系数 k e ， 尼取为阻尼器的等效阻尼系数 c e 。 阻尼器在底层钢支撑和 二、 三层柱间安装示意图详见图 3 （ a） 、 图 3 （ b） 所示。
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分别为粘弹性材料的剪切层面积和厚度； n v 为粘弹性层层 数； ω 为主体结构第一阶阵型的圆频率； η 为损耗因子， 用来 衡量粘弹性材料的耗能能力 。 二、 粘弹性阻尼器减震结构的动力方程和耗能原理 在地震作用下， 粘弹性阻尼器减震结构体系的运动方程 可以写成： （ t ） + （ K + K e ） u （ t ） = － MLü g （ t ） Mü（ t） + （ C + C e ） u （ 2） M、 C 和 K 分别为主体结构的质量 、 式中， 阻尼和刚度矩 u（ t ） 和 u （ t ） 分别为主体结构的加 阵； L 为单位列向量； ü（ t） 、 K e 分别 速度、 速度和位移向量； ü g （ t ） 为地面加速度向量； C e 、 为粘弹性阻尼器的附加阻尼和刚度矩阵 。 粘弹性阻尼器减震结构中， 粘弹性阻尼器耗能装置为结 粘弹性阻尼器在主体 构提供较大的耗能机制 。地震作用下， 结构进入非弹性状态前率先进入耗能工作状态， 大量消耗输 有效地衰减结构的地震响应 。 对比传统 入结构的震动能量， 抗震结构， 阻尼器减震结构在地震中的能量方程 E in = E e + E c + E k + E h + E d （ 3）
图1
Kelvin 模型
防烈度为 6 度（ 第一组） ， 建筑场地类别为 II 类， 结构整体阻 尼比为 0． 05 。由于原结构使用功能转变（ 由厂房改为大型超 市） ， 按业主要求， 设置粘弹性阻尼器后， 结构应能抵抗 7 度 多遇地震。本文仅研究分析东主房的粘弹性阻尼器减震改 东主房模型结构及阻尼器耗能减震支撑布置如图 2 造设计， 所示。
产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 3 期
钢支撑混凝土框架结构的减震改造分析
□贾大焕 鲍永健
【摘
要】 针对钢支撑混凝土框架结构的特点 ， 提出采用粘弹性阻尼器作为支撑进行耗能减震改造设计 ， 借助有限元模拟分析， 对比分析加入粘弹性阻尼器前后结构的地震响应 。分析结果表明： 粘弹性阻尼器可有效地减少结构的地震响应 ， 为 粘弹性阻尼器的工程推广应用提供了设计与分析参考 。