1、粘彈性阻尼器小組被動減震結構的基本概述減震原理耗能減震裝置盲分析簡介ETABS模型的建立和分析Excel設計分析有關的學術期刊和論文根據減震構件的種類分類粘滯阻尼器2摩擦阻尼器4油阻尼器 3 1粘彈性阻尼器3 3直接型：直接將變形傳給減震構件。間接型：將層間變形通過梁或短柱傳給減震構件。其他形式：利用總體變形或設置放大裝置將層間變形放大的裝置。從能量角度分析單質點體系減震結構力學原理和性能各阻尼器的特性傳統抗震結構 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能減震結構 Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+Ed Ein地震過程中輸入結構體系的能量；Ev 結構體系的動能；Ec結構體系的粘滯阻尼耗能；Ek結構體系

2、的彈性應變能；Eh結構體系的滯回耗能；Ed耗能（阻尼）裝置或耗能元件耗散或吸收的能量。a）地震輸人 b）傳統抗震結構 c）消能減震結構傳統結構抗震分析 Ev、Ek不耗能，只做能量的轉換 Ec占比很小 主要靠Eh（結構體系滯回耗能），彈塑性變形耗能，構件會損失甚至破壞。耗能減震結構 耗能阻尼裝置在結構主體進入彈塑性變形前發揮作用，進入耗能工作狀態，充分發揮耗能作用，耗散大量輸入結構體系的地震能量，則結構本身需消耗的能量很少，這意味著結構反應將大大減小，從而有效地保護了主體結構，使其不再受到損傷或破壞。減震結構是依靠與主結構連接的阻尼器的附加剛度和粘滯特性，對建筑物在地震作用下產生的位移、速度、加

3、速度反應進行控制。附加剛度系統周期縮短粘滯特性吸收能量，導致增加阻尼Sd、Spv、Spa的分別表示位移反應譜、擬速度反應譜、擬加速度反應譜自振周期Tf有阻尼器是等效周期Teq初始阻尼比h0等效阻尼比heq效應1（附加剛度）： 周期上升，位移減小加速度上升效應2（增加阻尼）： 阻尼增加，位移、速度、加速度均減小在減震結構的地震反應簡易預測及設計中，必須考慮減震構件的滯回特性及其與其他構件的平衡關系、地震動的輸入特性、減震構件與主結構的制約條件，對減震構件附加給主結構的剛度與粘滯特性所產生的效應做出適當的評估。圖 用單質點體系模型表述減震機理圖a表示直接型的支撐型，圖b表示間接型的中間柱型，圖c表

4、示阻尼器和支撐串聯，然后和主體框架并聯。圖 使用各種阻尼器的減震結構中的能量吸收部分、附加體系、系統的穩態反應儲存剛度=最大變形時的力/最大位移 損失剛度=零變形時的力/最大位移 油阻尼器和粘滯阻尼器的能量吸收部分的儲存剛度為零粘彈性阻尼器和軟鋼阻尼器的能量吸收部分的兩種剛度均存在給建筑物附加剛度和阻尼，其附加的程度可用儲存剛度和損失剛度來表示若能評估阻尼器的儲存剛度和損失剛度，就可以評估系統的儲存剛度和損失剛度，進而求得等效自振周期和阻尼比。粘滯阻尼器主要有筒式粘滯阻尼器、粘滯阻尼墻系統等。筒式粘滯阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成。活塞上開有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流體的缸內作往

5、復運動。當活塞與筒體間產生相對運動時，流體從活塞的小孔內通過，對兩者的相對運動產生阻尼，從而耗散能量。粘滯阻尼器粘滯阻尼器摩擦耗能器是根據摩擦做功而耗散能量的原理設計的。金屬阻尼器工作特點：結構處在正常使用狀態時，消能支撐充當結構構件，為結構提供初始剛度；結構在大震或強風作下，消能支撐率先進入屈服耗能階段，抗疲勞性能好，滯回環飽滿，增強了耗能能力，從而提高了結構的抗震性能。粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板所組成。粘彈性阻尼器的典型滯回曲線呈橢圓形，具有很好的耗能性能，它能同時提供剛度和阻尼。粘彈性阻尼器的性能受溫度、頻率和應變幅值的影響。其耗能能力隨著溫度的增加而降低；隨著頻率的增加而增加

6、，但在高頻下，隨著循環次數的增加，耗能能力逐漸退化至某一平衡值。粘彈性阻尼器(3M) 美國世貿雙塔樓1969World Trade Center Tower消能裝置：3M 粘彈性阻尼器共100002個從10層到110層，每層100個，每塔樓10000個，兩棟塔樓阻尼比由原來不到1%增加到3.0%建設日期：1966-1973年（1969年開始裝設阻尼器）減震性能曲線的繪制步驟如下：利用單質點體系進行初步設計設計步驟設計流程：試件形狀： 使用粘彈性阻尼器的鋼結構24層辦公樓層辦公樓 本實例是將大地震下能量吸收能力優良的軟鋼阻尼器設置在低層，將強風時或大地震時均可獲得附加阻尼效應的粘彈性阻尼器設置在

7、高層，構成對地震和風振均有效的減震體系。本建筑物是地下1層、地上24層、塔樓3層的綜合建筑物，最大高度為132.6m，主要用途為商店、縣立學校、辦公樓等。 標準層的平面形狀為68.6m的柱網所構成的24.6m42m的矩形，另有17層的低層部分。23層中設置天象儀、由18m柱距的大空間構成。 基礎為樁基礎，使用鋼管混凝土樁。上部結構為鋼結構（柱為鋼管混凝土CFT），120層為附加阻尼器的框架結構，21層以上為支撐結構。 結構規劃時，在以框架結構為主的主結構上設置軟鋼滯回阻尼器和粘彈性阻尼器的兩種阻尼器，對地震和風振兩種外部擾動實施有效的減震 由于滯回阻尼器對大地震時的能量吸 收特別有效，因此在樓

8、層面積大的低層部分設置，目的是希望滯回阻尼器在吸收所在層地震能量的同時可減少對高層的輸入。由于粘彈性阻尼器在小振幅情況下也具有附加阻尼的特性，故在強風可能作用的高層部分的短邊方向設置，粘彈性阻尼器在改善強風時居住性能的同時也可在地震時產生附加阻尼作用。2009年，日本E-Ddfense研究中心用世界上最大的振動臺進行了5層樓足尺寸帶減震斜撐的鋼框架振動臺試驗，并舉行了盲分析大賽。試驗用同一個鋼框架結構，分別加裝不同的阻尼器進行測試，包含了金屬阻尼器、油阻尼器、粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器，最后再測試了不加阻尼器的鋼框架7。在試驗進行前，主辦單位舉辦了一個結構反應預測的國際競賽，參與此競賽的學者專家

9、針對五層鋼框架分別加裝金屬阻尼器和粘性阻尼器的地震反應進行了預測。需要提交的預測結果包括每一層相對于基礎的位移絕對值的最大值、每一層的絕對加速的的最大值、每一層的層間剪力和層間位移的最大值、第1層柱以及第2層梁跨中的最大應變、第1層和第4層阻尼器軸向力的最大值和最小值、 第1層和第4層阻尼器軸向位移的最大值和最小值。各參賽隊提供的以上各項指標與實驗結果之間誤差的均方根作為評定名次的指標。 盲分析比賽分兩步進行。第一步是前分析，參賽隊輸入的地震波是振動臺預計輸入到結構上的地地震波，而確切的振動臺運動要需在實驗過程中通過加速度傳感器測量后后才知道，所以盲分析比賽的第二步后分析也是必要的，在后分析中

10、，參賽隊使用振動臺真實的運動情況評估結構的地震響應。比賽的評估參數主要集中在15% Takatori記錄和100% Takatori記錄作用下的地震響應。模型盲分析比賽采用了一個5層的鋼框架模型，沒有加阻尼器的鋼框架模型見圖2-1。此模型長度方向定義為Y向，寬度方向定義為X向，長度方向為雙跨共12米，寬度方向為雙跨共10米。此五層樓鋼結構的一樓層高為3.85m，二到四層層高為3m，五樓層高為2.985m。二到五層混凝土樓板厚度均為165mm，頂樓的為150mm。模型的重量由鋼梁、鋼柱、鋼承板、混凝土樓板、內外墻、樓梯、測量儀器等組成。從二樓到頂樓，分配到每層樓的重量為867、842、835、7

11、90、1451kN。鋼材部分，梁的材質為SN490B，冷彎箱型柱材質為BCR295，構件的主梁、柱尺寸詳見表2-1、表2-2，梁截面為寬翼斷面，柱截面為中空方管。阻尼器在一樓到四樓X2、Y1和Y3軸線上布置，如圖2-2所示，共12個阻尼器。 在一樓到四樓X2、Y1和Y3軸線上布置，如圖2-2所示，共12個阻尼器。ETABS 是有美國CSI公司開發研制的房屋建筑結構分析與設計軟件。ETABS已有近30年的歷史，是美國乃至全球公認的高層結構計算程序，在世界范圍內廣泛應用，是房屋建筑結構分析與設計軟件的業界標準。是一個完善且易于使用的建筑結構專用分析與設計程序，具有直觀、強大的圖形界面和建模、分析、

12、設計、詳圖功能。功能：建模功能 分析功能：反應譜分析 線性時程分析 非線性時程分析 靜力非線性分析（push-over方法）ETABS建模主要步驟建模主要步驟（1）新建軸網）新建軸網（2）定義材料、框架截面、板截面）定義材料、框架截面、板截面（3）繪制結構構件）繪制結構構件（4）指定約束）指定約束（5）定義荷載模式、質量源、時程函數、反應譜函數）定義荷載模式、質量源、時程函數、反應譜函數（6）定義荷載工況）定義荷載工況（7）運行分析、查看分析結果）運行分析、查看分析結果 Model File: 粘彈性阻尼 2015/5/121 模型簡化模型簡化 本次設計采用有限元分析軟件Etabs建模，模型中

13、各個構件的截面尺寸、材料屬性以及物理性能是從盲分析資料中提取的。其中做了幾點簡化或變化：1 各種鋼材均采用了其平均彈性模量；2 次梁與主梁的連接采用剛接，主梁沿全長采用等截面；3樓面及樓層附重在其對應空間內采用均布荷載的形式；4一、二層外墻采用均布線載施加在對應主梁上；5樓梯采用質量等效的方式換算成厚度均勻的鋼板，沒考慮其橫向剛度對樓層剛度的影響； 6 通過調整附重使得模型樓層重量與資料中提供的樓層質量基本一致2 承重結構截面尺寸及材料承重結構截面尺寸及材料詳見盲分析資料詳見盲分析資料3 減震前結構樓層數據減震前結構樓層數據沒設置阻尼器的結構模型形式如下：設置阻尼器的結構概圖如下：數據對比St

14、oryStiffness XStiffness YkN/mkN/mStory553066.03654661.104Story460916.76756747.471Story370279.21764474.798Story274799.25969559.841Story185164.62577350.461表六 樓層剛度StoryStiffness XStiffness YkN/mkN/mStory568915.07364341.547Story486390.50176354.647Story3103539.80491813.894Story2110577.86898473.7Story1110

15、178.12893691.58表十四 減震結構樓層剛度樓層剛度減震結構的樓層剛度表七 模態周期、頻率StoryAcceleration XAcceleration YAcceleration ZStory518407170361548Story415974122334134Story313868106754079Story211760116693766Story18221776443282mm Sce2mm Sce2mm SceStoryAcceleration XAcceleration YAcceleration ZStory566746854327Story4545854611525St

16、ory3486648571513Story2419642311647Story13581355619002mm Sec2mm Sec2mm Sec樓層加速度減震結構樓層加速度CaseModePeriodFrequencyCircular FrequencyEigenvalueseccyc/secrad/secrad/secModal10.8791.1387.150951.1354Modal20.8531.1727.363454.2191Modal30.6321.5839.947298.9464Modal40.2763.62922.8037520.0103Modal50.2713.68723.1

17、652536.6259Modal60.2074.83330.3696922.3108Modal70.147.1444.86122012.5241Modal80.1367.33446.07972123.3344Modal90.1069.40359.0813490.5677Modal100.08911.2570.6834996.0807Modal110.08611.69373.47155398.0685Modal120.06814.78992.91998634.1104模態周期、頻率Case Mode PeriodFrequencyCircular FrequencyEigenvalueseccy

18、c/secrad/secrad/secModal10.7641.3098.225267.6534Modal20.721.3898.729176.1964Modal30.5651.7711.1199123.6516Modal40.2533.95524.8491617.4757Modal50.2384.19826.3757695.6763Modal60.1935.18732.59171062.2206Modal70.137.66948.18322321.6247Modal80.1238.14751.19172620.5859Modal90.19.97862.69053930.0989Modal10

19、0.08411.9575.08595637.8984Modal110.07812.76680.21296434.1079Modal120.06415.5797.82959570.6083減震結構模態周期、頻率StoryShearshearKNKNStory5890912Story412661298Story316051601Story218561848Story120111990XYStory51/2311/190Story41/1811/160Story31/1771/156Story21/1631/147Story11/1951/121減震結構樓層剪力 減震結構在BCJ-L2作用下X、Y向

20、最大樓層轉角StoryShearShearKNKNStory520291975Story426742629Story333242986Story239793272Story144023589樓層剪力XYStory51/651/73Story41/511/54Story31/461/52Story21/421/54Story11/571/76 BCJ-L2作用下X、Y向最大樓層轉角減震前后X方向的樓層轉角減震前后Y方向的樓層轉角減震前后X向樓層剪力 減震前后Y向樓層剪力 減震前后X向樓層加速度 減震前后Y向樓層加速度對比分析結果： 安裝粘彈性阻尼器的結構，其樓層轉角基本大于1/150，X方向樓層

21、剪力降低幅度在51.7%-56.1%之間，Y方向樓層剪力降低幅度在43.6%-53.8%之間，X方向樓層加速度降低幅度在56.4%-65.8%之間，Y方向樓層加速度降低幅度在54.2%-63.7%之間。不難發現，粘彈性阻尼器的減震效果是明顯的。 1 等效單質點體系儲存剛度計算等效單質點體系儲存剛度計算 Excel表格計算部分采用課程被動減震結構設計.施工手冊提供的Excel計算軟件進行輔助計算。Excel計算部分的實質是求出結構所需的存儲剛度，用以粘彈性阻尼器的設計。 Excel表格計算使用BCJ-L2人工合成波的反應譜。性能目標層間位移角：選用1/150。 根據Excel提供的位移反應譜，采

22、用差值法求解基本周期對應的位移反應譜值。 Excel表格采用了迭代法進行求解阻尼器損失系數 的迭代采用如下公式： 減震結構的等效自振頻率()sin(2()()cos(/2)eqdeqeqeqa baba b 2/ )1+eq阻尼器損失系數(第1階段按T=Tf確定)阻尼器損失剛度比阻尼器儲存剛度比連接構件剛度與阻尼器儲存剛度比附加體系的儲存剛度比附加體系損失系數0.9650.4530.46921.30.46570.88500.9850.4530.46021.80.45720.90300.9840.4530.46021.80.45740.90260.9840.4530.46021.80.45740

23、.9026d/dfkk/dfkk/bdkk/afkka 阻尼器損失系數d的迭代計算 對于丙烯類阻尼器的 )eq 取決于減震結構的等效eqT和溫度，但和周期的相關度小。根據這個性質，在第一次迭代求 時，我們用 近似替代 。求出 和 后，我們利用Excel表格中的數據用插值的方法求出此時的 )eq fTeqT)eq dR/dfkk如表：2 多質點體系儲存剛度分配多質點體系儲存剛度分配由等效單質點體系求得的儲存剛度比 ，我們可以進行多質點體系儲存剛度的分配，分配結果如下表：/dfk k層阻尼器個數黏彈性體層數黏彈性體厚度(cm)黏彈性體長度(cm)黏彈性體寬度(cm)黏彈性體剪切面積(cm2)阻尼器儲存剛度(kN/cm)5161.0012016.3711786.54256.354181.0012021.9621084.31458.5731101.0012022.4126886.73584.7721101.0012026.893