某厂房附属结构减震阻尼器参数分析

摘 要：为研究粘滞阻尼器参数变化对于上部运输系统与主体结构之间相对位移减震控制效果的影响。依据厂房自身特殊的工艺要求提出相应减震位移性能指标，利用Midas/Gen建立主-附耦合结构模型，选择其中某一横向单榀结构进行动力时程分析，综合各项计算指标，选出减震效果最优的参数组合，以此为依据进行整体耦合结构减震效果分析。结果表明，粘滞阻尼器的设置可以极为有效地控制上部运输系统与主体结构之间的相对变形。所得结果可为同类附属结构减震设计提供参考。

关键词：附属结构;粘滞阻尼器;参数分析;性能指标

近年来，随着对大型工业厂房的工艺要求的不断提高，为了满足其复杂的使用功能，大量附属结构的设置成为了必然的趋势。与此同时，随着附属结构与主体结构之间质量之比的逐渐增小，地震作用下，附属结构地震响应也将逐渐增大，从而其因地震破坏的可能性也将大大增加。由此可见，对于附属结构的减震控制研究就变得日益重要。

但是，目前设计时往往仅将附属结构等效为质量荷载附加在主体结构上，忽略了附属结构在地震作用下可能发生的破坏。为了解决这一问题，

本文以某厂房为工程背景，建立其主-附结构精细有限元模型，通过在主、附结构之间设置粘滞阻尼器来实现对附属结构的减震控制。为了进一步研究阻尼器参数对于地震作用下阻尼器减震效果的影响，本文将选取整体结构中某一单榀结构进行阻尼器参数分析，选出最优参数组合，并以此为依据进行整体结构阻尼器减震效果分析。

一、工程概况及计算模型

对于该厂房而言，其主体结构跨度为76.5m，进深64m，采用钢网架+钢双肢格构柱结构形式。屋盖采用正交正放钢网架，网架下弦中心标高27.00m，屋盖支承形式为三边支承，一边开敞，开敞边设置大门反梁。主体结构共设置支承柱22根，采用Q345B钢。图1为该厂房主-附结构精细化有限元模型。

对于该厂房而言，其主要附属结构为悬挂于屋盖下弦处的上部运输系统。图2所示的为在独特的工艺要求下主、附结构之间实际连接构造情况。其中，主体结构与上部运输系统之间仅由一组直径为50mm 的实腹式圆杆（下文统称为吊杆）相连。吊杆与屋盖下弦相连端设置有纵向转动的销轴，从而运输系统可以在纵向自由转动。吊杆与运输骨架相连端设置横向转动的销轴，从而运输系统可以在橫向自由转动。正因为这样的设计从而地震作用下，上部运输系统将产生巨大的侧向变形。

图3为计算模型中上部运输系统的示意图。模型中通过释放吊杆两段的节点自由度来实现上部运输骨架的自由移动。其中，吊杆与主体结构相连端通过释放该节点绕单元自由度Z轴的转动自由度来模拟悬吊系统纵向的自由转动，而吊杆与运输骨架相连端则通过释放绕单元自由度Y轴的转动自由度来模拟悬吊系统横向的自由转动。

二、粘滞参数阻尼器

液体粘滞阻尼器通常由油缸、活塞、阻尼介质以及节流孔组成。阻尼介质通过节流孔在以活塞为分隔的两个腔体之间流动。在此过程中，阻尼介质的分子之间、介质与活塞、介质与缸体壁之间产生剧烈的摩擦，介质在通过节流孔时产生巨大的节流阻尼。这些作用所产生的力的合力即为粘滞阻尼器的阻尼力。

三、阻尼器参数分析

由式（1）可知，不同的阻尼器参数组合将直接影响阻尼器对于结构的减震效果。因此，选择阻尼器最为合理的参数组合就变得尤为重要。本文为了选择出最为合理的阻尼器参数组合，同时简化计算成本，特选择整体结构中X向，Y=36m处的单榀结构（如图6所示）进行阻尼器参数分析，并选择该单榀模型中某一吊杆两端节点作为目标节点，通过对其地震响应进行分析，进而可以得出对应的上部运输系统与主体结构各自的地震作用。

根据厂房所在的场地类型，选择Coalinga _364波等7条地震波作为外部地震输入。分别对单榀模型进行小震、中震和大震作用下的动力时程分析，地震波峰值依据《建筑抗震设计规范》[2]分别调整为小震0.07g、中震0.2g、大震0.4g，计算结果取7条加速度时程计算结果的平均值。

通过上述分析可知，当阻尼常数C越大且阻尼指数α越小时，阻尼器对于主、附结构之间相对变形的控制作用越为明显。但此时，阻尼器出力也达到最大，但经过验算，最大阻尼器出力值依然满足安装构件的强度要求，可以保证使用安全性。因此，最终选择阻尼常数C=100kN[?]s/m，阻尼指数α=0.3这组参数作为粘滞阻尼器的最终使用参数。

四、结语

（一） 阻尼常数C和阻尼指数α这组参数的不同取值在很大程度上影响了粘滞阻尼器的减震控制效果。在本算例中，上部运输系统与主体结构之间的相对变形随着阻尼常数C的增大而减小，随着阻尼指数α的增大而增大。而阻尼力则恰恰相反，即随着阻尼常数C的增大而增大，随着阻尼指数α的增大而减小。

（二）在保证阻尼器出力不会对连接构件产生强度破坏的情况下，应以主、附结构之间的相对变形值作为首要条件进行阻尼器参数选择。

参考文献：

[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2]MIDAS/Gen用户手册[M].北京：北京迈达斯科技有限公司，2008.

[3]E. A. FIERROL，E. MIRANDA，C. L. PERRY，et al. Behavior of Nonstructural Components in Recent Earthquakes[C] // Architectural Engineering Conference，2011.

[4]李宏男，陈国兴，刘晶波，等. 地震工程学[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[5]娄锋. 大跨度斜拉桥阻尼器参数分析[J]. 世界地震工程，2015，31（1）： 129-133.

[6]FEMA E-74. Reducing the risks of nonstructural earthquake damage-A practical guide[S]. Washington. DC： Federal Emergency Management Agency，2012.

作者简介：李励哲（1991-），男，安徽省合肥市人，汉族，学历：硕士，职位：土建工程师，职称：助工，研究方向：结构工程。