阻尼系数对悬挂系统的减震效果的试验分析

1、阻尼系数对悬挂系统的减震效果的试验分析摘要：悬挂建筑结构作为一种新型建筑结构体系已日 益受到建筑工程界的关注。采用悬挂系统简化模型计算悬挂 结构的各层间位移，加速度等，计算悬挂结构在不同阻尼系 数下的动力反应，将悬挂系统减震效果的数据进行分析，并 且与无悬挂建筑结构减震效果进行比较，得到各个参数变化 时对减震效果是否有较大影响，最终确定参数的最优参考 值。关键词： 阻尼 悬挂 减震 位移中图分类号： C93 文献标识码： A、八 、-前言悬挂建筑是应用悬挂结构原理的建筑形态类别，是悬挂 结构力学性能、悬挂结构形态和建筑学三个方面的统一。在 多高层建筑结构中，利用悬挂式调频质量阻尼系统的原理，

2、将部分楼面悬挂于主体结构上，形成悬挂建筑结构。这种利 用结构的一部分质量悬挂，达到结构震动控制的体系，称为 悬挂质量减震体系。其结构的主要特点是把整个建筑结构设 计成一个大型的减震器 1 。有关研究表明：单个质量的调频 质量阻尼系统只能消减结构选定模态的响应，而不是任何条 件下都是有效的；调频质量阻尼系统的连结频率与主体结构 频率接近时，减震效果最为明显，这时质量块相对于主体结 构之间的位移幅值达到最大值； 质量比越大， 减震效果越佳： 调频质量阻尼系统的阻尼对主体结构减震效果的影响不明 显2 。本文通过试验研究了不同阻尼系数下对悬挂建筑的减 震效果的影响。1. 悬挂计算模型悬挂系统简化模型以

3、一个 14 层结构为例， 1-7 层悬挂在 第一刚性杆上， 8-14 层悬挂在第二刚性杆上，坐标系 xoy 固 定在地面上。 设悬挂系统的第一振型为， 忽略其他振型影响， 则和第一刚性杆、第二刚性杆直接连接的楼层的位移设为 u1、u2,则有3:其中：是悬挂结构系统中第一个质量块的广义坐标，为 悬挂系统的近似第一阶振型函数， z 是结构任一点的高度。第一悬挂体和第二悬挂体的质量、层间刚度系数和阻尼 系数分别为、 ，、和、， 0， 1 ， 2， 3， 4， 5， 6， 7。根据拉格 朗日方程建立结构的运动方程表达式又极其复杂，因此采用 龙格库塔方法计算可得:由此可解得:然后运用 Matlab 语言

4、编制软件求解， 并输入地震波求解 每一质点的地震响应，最终得到地震作用下悬挂系统的减震 效果。2. 悬挂系统减震试验为进一步分析悬挂系统的减震效果，在分析中取一个由承载柱和两个悬挂体组成的集中质量的多自由度系统，设 933t，950000KN/m ，300KN/m.s ，输入 Elcentro 地震波，。 地震动力反应计算结果如图 1。图1 楼层地震动力反应时程示意图Fig.1 Time history of storey dynamic response3. 试验结果及处理分析 对给定悬挂系统模型，判断阻尼器阻尼系数对其减震效 果是否有一定的影响，在对悬挂结构设定 r1=r2=1m 、刚度

5、EI=109 规定的条件下，设定阻尼系数为1000、 3000、5000、7000、9000，但试验中只参考阻尼系数为 3000、5000 、7000 三个值，以此计算出楼层层间位移以及楼层位移与无悬挂系 统进行相应的比较，从而计算出减震效率。将试验数据进行整理如图 2，分析（a）得出：当阻尼器 的阻尼系数逐渐增高时，楼层的层间位移量也将逐渐增大， 而当阻尼系数在 时，其阻尼效果达到最佳状 态，相对无悬挂系统而言，其每个楼层的层间位移减震效率 可达到 97%，相对移动微乎其微。分析（b）得出：当吊杆半径和刚度设定的情况下，随 着楼层的阻尼系数的增大，楼层位移逐渐降低，当阻尼系数 为 左右时，其

6、减震效果可到最佳状态。分析（c）得出：当吊杆半径和刚度设定的情况下，随着 楼层的阻尼系数的增大，楼层的速度逐渐降低，出当阻尼系 数为 左右时，其减震效果可到最佳状态。分析（d）得出：当吊杆半径和刚度设定的情况下，随 着楼层的阻尼系数的增大，楼层的加速度也随之增大，当阻 尼系数为 左右时，其减震效果可到最佳状态（ a） （ b ）（ c）（ d）图2 不同阻尼系数的试验结果Fig.2 The test results of different damping coefficient4. 结论 在悬挂系统结构中，建筑物在悬臂梁上摆动，以此消耗 地震带来的动能影响，阻尼系数越小，层间位移和楼层加速

7、度越小，减震效果越好；阻尼器是耗减运动能量的装置，可 以起到提供运动的阻力的作用，阻尼系数越大，起到抵抗楼 层运动的阻力也就越大，楼层位移和楼层速度越小，减震效 果越好。阻尼系数无限小，无异于无阻尼结构，阻尼系数无 限增大，即与无悬挂系统较为一致。综上所述，多层结构当 中采用悬挂结构体系比无悬挂体系具有较高的减震水平，能 够创造更多的经济效益和社会效益，而阻尼器的阻尼系数值 有待进一步的优化。参考文献1 周坚， 伍孝波 . 核筒悬挂结构体系自振特性研究 J. 工程力学， 2005， 22（1）：75-81.）2 Feng M Q ， Mita A. Vibration control of tall building using mega sub-configuration J. Journal of Engineering