建筑结构粘弹性阻尼耗能研究.pdf

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1、研究与探讨广东建材2010年第7期建筑结构粘弹性阻尼耗能研究韩文博(珠光集团设计管理中心)摘要：本文探讨了建筑结构的粘弹性动力特性，提出了一种对高层建筑结构振动下粘弹性动力特性进行分析的方法，并对分析结果进行机理分析。这些工作为阻尼材料在工程中的应用建立分析计算基础。关键词：阻尼层；结构振动衰减因子；粘弹性阻尼耗能：动力响应l引言近年来，消能减振材料如摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器等被日益广泛应用于建筑结构中。对于粘弹性阻尼器对结构的动力特性改善，工程界一般认为主要表现为自振频率减少，周期增加，结构柔性增加和结构动

2、力响应的减小，但是至今仍未有有效的评价方式。本文将针对粘弹性材料的特点，介绍一种阻尼材料参数对结构动力特性影响的分析方法。2剪力墙阻尼层振动耗能分析根据Ⅲ，等截面弯曲型剪力墙振动方程为：EI粤一p萼+m粤=0(式1)axat其中11生车为各连梁对墙肢约束弯矩。ax。引入y(x，t)--y(x)e1叭一∞。tl∞lt2y(xJee=y(x)e1”(icos(-)lt+sin6)1t)(式2)令入。=H、／、／了≯+a2，入：=H、／、／了≯一a2(式3)2aZ=-u／El’b4=m(^)2／EI(式4)代入(1

3、)式并引入剪力墙结构的边界条件，并假设不考虑连梁的作用，即p=O，分离实部与虚部，最后可推导得：舻¨z√告(式5)引入剪力墙的边界条件，可得第一振型的频率表达式为：一4一。=掣俘c娴图1阻尼墙横截面示意图现任取一片添加了阻尼材料的剪力墙单元为计算模型，由粘弹性动力本构关系，引入粘弹性复合结构的弹性刚度为：EI。=Y(i∞)I+EIo=器+EI。=型粹+EI。+i旦墨!啦(式7)l+p1(^)l+p1∞式中旷彘^2器吗2祷c娴(7)～(8)式中，EI。为钢筋混凝土墙的刚度，11，为阻尼层的粘性系数，I为阻尼层在

4、主体结构中的惯性矩，E。为与粘壶并联的弹簧1弹性模量，E。为弹簧l与粘壶并联后再与之串联的弹簧2弹性模量。将(7)、(8)代入(6)，并令，幸●、}44p一【El+E2)一E2Ic+EIoc‘n：’PH4Q=一业(式9)n，P1广东建材2010年第7期研究与探讨肛一幽挚担P11"l：推导得604+P602+Qi60+R=0(式10)引入(I)=(1)。+i60：，参照(2)式可知(1)，表示结构振动频率，60：表示结构振动衰减因子。进一步求解(10)式得：64(^)：一32P(^)24+4P2‘‘)22—16

5、R(‘)22—Q2=o(式lOa)令∞：为未知数，最终解此一元三次方程得‘_)擘竺!二罂!二里(式11a)4‘_)．=———￡————三一【五．Jl(^)．一吁[防+防+可P]‘(5戈llb)式中，参数△毒示如下：4'，4A3'2△：二堕+盟+卫一卫一堕+一PRO"‘一6912864409643227648768(式12)p=一等一下R(式13)q一—L+堕+旦(式14)、8642464、’。根据‘21的再次化简结果，引入(15)式，进一步推导出(16)式E：=1i丁EcN，￡2=E。N,E×=两EoN(式1

6、5)p丛一里立一监‘'(S—1)rl，PHPH妒一型曼rllPH降：3EcN4：2一E：N4：]：：。加，式中，E。为阻尼层的弹性模量，N为蠕变系数。这样，将可以通过获得结构体系的侧向刚度、结构高度、蠕变系数等参数将(16)式代入(11)～(14)式，求3算例根据结构设计的一般经验，取：E=3X107kN／ms，Io=3000m4，Ec=15×10Ⅻ／群，I=O～300m2,N=3，p=75000kg／m，H=60m，n1=IOGPa。将相关参数代入(11)～(14)式，得图2、图3所示结果。通过这一算例可以

7、总结出如下特点：图2阻尼层惯性矩图3阻尼层惯性矩与结构振动衰减因子与自振频率(1)在结构剪力墙内添加阻尼材料层后，结构振动衰减因子随所添加的阻尼层所占惯性矩增加而增大。由此可见，阻尼材料层的越厚，铺设越长，所在位置离质心越远，其使结构振动后的衰减速度增大，亦即阻尼比增大。当阻尼层增加到剪力墙的刚度约1／10时，结构振动衰减因子从34Hz增加到48Hz，增幅达40％，之后增幅收窄。(2)结构自振频率则与阻尼层所占惯性矩呈反比关系。当阻尼层惯性矩从0增加到14后，自振频率从3．1Hz迅速下降到接近OHz，阻尼层对

8、自振频率的影响十分显著。对于大多数高层建筑，自振频率的下降意味着结构柔性的增强，同时地震对结构的动力响应将减弱。4思结由上述分析可见，本文所介绍的方法能有效分析结构体系的振动特性，为阻尼材料的进一步推广建立数据分析基础。同时由分析结果可见，阻尼材料的铺设能有效增大结构的阻尼比和、结构振动衰减因子，降低结构自振频率和所受地震作用。阻尼材料的应用对于提高结构防震减震能力、结构耐久性等领域具有广泛的应用前