粘滞消能器消能减震结构设计的一般流程

刘维刚

【摘 要】本文主要介绍了粘滞消能器消能减震结构设计的一般流程。粘滞流体消能器内置液体，理论上不提供静刚度，因此不影响附加消能器之后结构的周期和阵型；在简谐振动下其力——位移滞回曲线呈椭圆型，表明消能器在最大位移状态下受力为零，最大受力情况下位移为零；既可以降低地震反应中的结构受力，也可以降低位移反应。

【关键词】消能减震 刚度 滞回曲线

中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.05.087

采用粘滞流体消能器的消能减震结构一般设计步骤如下：

一、确定减震目标

根据结构自身情况及需求，确定相应的减震目标。在进行粘滞消能器设置设计时，减震目标通常体现为使结构的附加阻尼比达到某一设计值，从而使消能减震结构能达到设计规范的要求，且又不至于使得造价过高。

二、简化计算

确定减震目标之后，采用等价线性化方法进行结构消能减震简化设计。具体操作如下：

1.运行PKPM原结构模型（无消能器），计算并输出层剪力、层间位移。

2.初步设计消能器的参数与数量。消能器的参数包括阻尼系数和阻尼指数。

3.根据消能器的参数、数量以及结构的层剪力、层间位移的控制目标，采用抗震规范中消能器附加给结构的有效阻尼比计算结构的附加阻尼比，X方向与Y方向分开计算，取两个方向计算结果的较小值。

4.如果阻尼器的阻尼系数a=1，则附加阻尼比与结构位移幅值无关，无须进行迭代计算。将结构原有的阻尼比叠加上述计算得到的附加阻尼比后重新进行运算，查看结构各项指标是否满足减震设计目标要求，并查看结构有无超筋情况。如果各项指标均满足要求，即可确定各层粘滞消能器的参数及数量。否则，应重新设计消能器的参数与数量。

5.如果阻尼器阻尼系数a不等于1，则附加阻尼比与结构位移幅值有关，需要进行迭代计算。迭代收敛后，将结构原有的阻尼比叠加上述计算得到的附加阻尼比后重新进行计算，查看各结构各项指标是否满足减震设计目标要求，并查看结构有无超筋情况。如果各项指标均满足要求，即可确定各层粘滞消能器的参数及数量，否则，应重新设计消能器的参数与数量。

三、建立相应模型

简化计算完成后，可以通过时程分析验算减震效果。分别建立以下模型： 1.无消能器模型。即原模型，主要用于对比时程分析法与反应谱法计算得到的结构底部剪力。 2.有消能器模型。在无消能器模型的基础上设置消能器的模型。

在MIDAS GEN中通过一般连接单元来模拟粘滞消能器，在软件添加编辑一般连接特性值的页面中，一般连接单元线性特征参数，主要包括：有效刚度和有效阻尼，在粘滞消能器-非线性特性值中的Maxwell模型中，一般连接单元非线性特征参数，主要包括：参考系数、参考速度、阻尼指数和连接部件的刚度。在建立一般连接单元时应注意消能器的变形方向。

在ETABS中则是通过设置非线性LINK（Damper）单元来模拟消能器的力学行为。非线性LINK（Damper）包括三个属性，分别是刚度K、阻尼系数C和阻尼指数a。根据工程实际情况，一般连接单元可通过直接连接上、下梁中点的方式来建立，也可以先建立钢支撑然后连接钢支撑节点与上梁中点来建立。

四、时程分析计算

消能器的参数及数量初步确定后，应进行时程分析计算，具体操作步骤如下：

（一）输入地震波

根据工程的建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际强震记录和一组人工模拟加速度时程曲线。将所选择的地震波文件添加到模型中。

（二）定义时程工况

定义相应的时程工况。应注意，无消能器模型和有消能器模型都应采用结构原有阻尼比。

（三）地震波评价

计算无消能器模型，输出结构底部剪力。验算所选的地震波是否满足《建筑抗震设计规范》规定的“在弹性时程分析时，每天时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”的要求。如果满足要求，所选择的地震波可用于工程设计，否则应重新选择地震波。

五、减震方案效果评价

通过输出两个模型中各层层剪力及层间位移角来验证减震方案的效果。同时还可以通过输出消能器的滞回曲线，查看消能器的变形及出力情况。

六、减震目标

检验消能器方案的减震效果是否满足目标的要求，同时还应检查结构的扭转比、层间位移角及其他各项指标是否满足规范要求。如均满足要求，则确定该减震方案为最终方案，否则应调整方案重新进行设计。

七、确定消能器型号及参数

消能器产品选型时根据罕遇地震下消能器的最大出力来确定，当上述计算为多遇地震或者设防地震时，可根据F大震=F小震X6a、F大震=F中震X2a简化估算大震下粘滞消能器的出力，粘滞消能器力学模型表达式如下：F=CVa （1-1）式中，F为阻尼力；C为阻尼系数；a为阻尼指数，常在0.3-1.0之间；V为最大速度。

可根据F、C、a来反算该消能器的最大速度V，从而确定消能器的所有参数，此时粘滞流体消能器设计院完成。注意，消能器准确的出力大小和变形需求需要通过大震弹塑性时程分析确定，上述处理方法为简化处理方法。

参考文献

[1]Constantinous M C，Syman M D，Tsopelas P，etal.Fluid viscous dampers in applications of seismic energy dissipation and seismic isolation[C]//Proc.ATC17-1 Seminar on Seminar Isolation，Passive Energy Dissipation，and Active Control，1993，2：581-592.

[2] Makris N，Constantinou M C，Dargush G F.Analytical model of viscoelastic fluid dempers Joural of Structural Egineering，1993，119（11）：3310-3325

[3] Passive and active structural vibration control in civil engineering[M].New York：Springer Verlag，1994.