建筑用液体粘滞阻尼器设计方法简介

1．阻尼器应用的设计目标和理念传统建筑，无论木结构，钢筋混凝土，钢结构已经有上百年的抗风，抗震历史，为什么提出在这些建筑中添加阻尼器？精简总结，有以下几点原因：对于一些使用要求较高的建筑结构〔超高层，大跨结构等〕，地震，抗风形成动力难题，需要更合理的解决方法；比照其他传统方案，减少结构受力体系的造价；科学不断开展，开辟了解决结构工程问题的新思路；可以使结构最大限度的保持在弹性范围内工作，为结构提升平安保障。以某抗震加固工程为例，我们对剪力墙〔传统方案〕和液体粘滞阻尼器两个方案从理念和计算结果作了如下比照方下表：抗震剪力墙阻尼器刚度增加，结构周期变短，加大地震力结构性质不变或根本不变对结构其它局部反响有影响对结构其它局部反响没有影响给建筑上带来的困难大建筑上容易处理重量大，加大了根底和结构负担重量小一旦破坏，难以修复容易修复和更换只能抵抗水平振动可以减少多方向地震反响费用高费用低我国现行抗震设计标准中已经开始有了关于消能减震的有关规定。结合国内外有关阻尼器应用开展情况和我们的应用体会，我们再谈一下在建筑上使用阻尼器的目标和理念。简单的说，我们安置阻尼器可以有以下几个目的。A增加抗震、抗风能力原设计可能已经可以满足所有标准规定的抗震抗风要求，加上液体粘滞阻阻尼器，在振动过程中起到耗能和增加结构阻尼的作用，从而降低结构反响的基底剪力，减少整个结构的受力，也就可以大大提高结构的抗地震能力。同时，只要阻尼器安装的适宜，设置到不同的需要方向，还可以预防和减少原设计没有考虑，或考虑缺乏的振动受力。对特别重要的结构，高发地震区，花钱不多，设置这一第二防线是很值得的。对于非严重地震区，也可以用阻尼器到达抗风和增加抗震能力的目的。B．用阻尼器去防范罕遇大地震或大风按小震不坏大振不倒的原那么，我们可以用常规的设计方法使设计满足多遇地震的抗震要求。对于罕遇的大地震可能显得缺乏、不理想或不经济。用结构的被动保护系统－特别是阻尼器来等待和解决这罕遇大地震的问题，不仅新建结构建议采用这一设计理念，原设计未设防抗震或设防缺乏的结构加固工程也很适于。这一理念会带来经济实用和可靠的结果，设计的好，可以为工程节省费用。国外抗震先进国家大都采用这一理念。在所有可能发生地震的地区，我们主要想提出推广的这一设计理念。国外有的工程，在结构的小振设计中也充分利用施加了阻尼器的优越。他们大胆的用加阻尼器后的修正反响谱作结构的设计。C．减少附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动在破坏性地震震害分析中，结构内部附属结构、设备、仪器仪表等第二系统的振动和破坏越来越引起我们的注意。从经济上看，这些内部系统的价值可能远远超过结构本身。增加结构保护系统出于保护这一附属系统就不奇怪了。应该说，采用阻尼器系统减少医院、计算机房、交通及航空等重要控制中心内部附属设备的振动是非常必要的。D．解决常规方法难予解决的问题在结构设计中有时遇到高地震烈度、土质情况恶劣的地区，单纯的加大梁柱的尺寸会引起结构刚度增加，结构的周期减小，其结果可能引起更大的地震力。结构落入这一恶性循环中。有时用常规的方法难于解决。著名的墨西哥市长大楼就提供了一个解脱这一恶性循环的典范。结构抗震如果使用液体粘滞阻尼器，本身没有刚度，也就不会改变结构的频率，阻尼器增加了结构的阻尼比，起到耗能的作用，比拟容易解决这一困难问题。在高烈度地震区，设计变得很困难的情况下，建议参加液体粘滞阻尼器重新作一下分析，可能你会得到预想不到的好结果。E．结构上的其它需要除了提髙结构主体的的抗震抗风能力外，阻尼器还能在很多其他方面的抗振动上对结构有所帮助，可以汇总如下：大跨空间钢结构，体育场馆，特别是开启式屋顶运动中的减振超高层钢结构建筑抗风的TMD系统减少楼板和大型屋盖垂直振动的TMD系统配合根底隔震的建筑，加大阻尼，减少位移设备根底减振特别重要的建筑----核电站、机场控制室结构复杂，难于计算的建筑加固工程中，空间受限，最好的选择军事工程，抗爆工程当然，阻尼器还是个新生事物。它的应用方面和理念都还在开展，并有广阔的开展空间。3.阻尼器的使用方法液压粘滞阻尼器几乎是唯一可以既减少结构受力又减少结构位移的消能减振阻尼器。在结构应用中我们只要目标明确，安放适宜就可以起到它的作用。对于具体结构的安置目的，我们不妨大体分成下面二类作介绍：1〕为减少主体结构的水平振动，同时减少主体结构主体结构在水平振动下的受力和位移。包括框架结构，单厂排架系统，大跨空间结构的梁柱体系，阻尼器都可以以此为目的来设计。2〕为减少振动中整体或局部位移，以减少振动中的位移为主要目的，阻尼器本身的直接耗能可能并不大，而是寻求系统整体作用。常用的有：配合根底隔振加设的阻尼器：配合屋盖系统与柱顶相连处的阻尼器：多塔结构间连走廊处所用的阻尼器。减少整体结构水平振动的TMD系统减少局部或整体垂直振动的TMD系统设备根底及重要的管道系统用减振系统3.1消能减震支撑阻尼器安装在建筑的不同位置，可以到达设计的不同目的。随着阻尼器在结构抗震、抗风等工程工程上应用的开展，很多结构上采用了不同安装方式、组成不同类型的安置模型。总结目前阻尼器在结构上的安装方式，主要有对角支撑，人字型支撑和垂直放置等。对角支撑在结构的对角支撑的位置方向上安置阻尼器，看上去和传统的结构对角支撑很相似。其连接方式简单，阻尼器的作用清楚，广泛被结构工程师使用，常被标为“阻尼支撑〞。实际上，对于无刚性的液体粘滞阻尼器，它完全不是一般概念下的支撑，而是仅仅增加阻尼的体系。如果我希望它增加和刚度和阻尼两方面起作用，应该采用液体粘弹性阻尼器。这种连接方式中，阻尼器的利用效率较低，在倾角等于37°时，仅为0.8。注意：这样使用的阻尼器应为一端饺接、一端固结，两端铰接会形成三饺一线的失稳状态。图3-1某结构安置的对角支撑阻尼器人字形支撑这是一种完全用来减少水平层间位移的体系，阻尼器的一端通过一个“人〞字型支撑和该层下楼层结构相连并运动一致。而阻尼器的另一端和楼层上端结构相，运动一致。支撑的“人〞字交点处与上梁并不作受力连接〔仅允许水平滑动〕。注意：人字支撑与主体柱下端〔结点〕的连接一定为刚性连接，切勿用成饺接。这种连接对水平层间运动的耗能作用优于上述对角形支撑，其f=1，但对于只连一个阻尼器的体系,“支撑〞用钢量可能大于对角连接方式。当然，人字形也可以“倒〞用成“V〞字形状，还可以在一套“人字支撑〞上安置两个阻尼器。图3－2某结构安置的人字形支撑阻尼器配合伸臂桁架支撑垂直放置对于一些超高层结构，设计者通过计算发现，如果将加强层切开，放大了有弯曲变形带来的垂直相对位移，将阻尼器竖向放置，可以得到很好的减震效果。图3－3某结构安置的垂直放置阻尼器3.2以减少振动中位移为直接目的的阻尼器配合根底隔振加设的阻尼器根底隔振改变了结构的周期，可以大大减少结构在地震中的受力。柔性的连接将地震荷载转化消耗到结构的运动中，起了很大的减震作用。然而，它附加产生出的位移经常是工程界难以接受的。阻尼器可以成功地减少这一振动中的位移，它已经成为根底隔震系统中必不可少的孪生手段。用于结构整体减少振动的隔振系统中的阻尼器应该通过计算，吨位不易过小。图3－4配合根底隔振使用减少整体结构水平振动的TMD系统常用于高层、超高层结构抗风的TMD(TuneMassDamper)和LMD(LiquidMassDamper)是利用一种更为巧妙的方法减少水平风振。在一个主要结构上加设一个与目标减振振型频率一致的小结构，就可以起到减少主结构动力反响的目的(参见附录)。而阻尼器是为了减少这个附加共振“小体系〞的运动〔图3－13〕。台湾101大厦的TMD系统就是这种体系应用的典型。图3－5台湾101大厦配合TMD系统安置图3－5其他配合TMD系统安置减少整体或局部垂直振动的TMD系统以减少楼板或层盖的垂直振动为主要目的的TMD系统是花钱不多效果显著的好方法。工程中常用到到的有以下几类：减少大型屋盖垂直振动的TMD系统。减少楼板垂直振动的TMD系统。空中走廊，过街天桥上安置的TMD系统。图3－5其他配合竖向TMD系统安置4.液体粘滞阻尼器〔FluidViscousDampers〕我们常用阻尼器，未加说明时都是指这种阻尼器。〔4-1〕这里，F–阻尼力；C－阻尼系数；α－速度指数；V－为活塞杆的速度。这是个简单的一个公式，却也是非常容易出错的公式。我们希望有关的设计人员在提出阻尼器的设计要求的同时，一定要自己用这个公式计算一下得到的力和速度是否合理。图4－1液体粘滞阻尼器5.液体粘滞阻尼器的计算分析5.1阻尼器尺寸的估计与价格阻尼器和其他机械产品不一样，一般安在结构分析的根底上选用。没有现成统一的价目表，寻求其价格要依据以下两个主要参数：阻尼器寻价表1所需阻尼器数量2最大阻尼力(KN)3最大冲程(mm)5.2消能减振结构的简化计算方法设计荷载和考虑因素首先，在该标准中明确一点：所有阻尼器的设计都要基于最大地震的考虑。考虑最大地震下的低周大位移的衰减荷载考虑风荷载下的髙循环小位移下的衰减考虑重力下的受力和位移的组合考虑相关和连接部件的抗腐蚀、老化、受潮和化学暴露的影响考虑阻尼器的工作环境设计参数的选取请注意以下几个参数的取值问题：设计阻尼比的选择在设计阻尼器前我们首先要设定一个目标阻尼比，通常我们建筑结构的阻尼比在1%～5%之间，原那么上我们可以提高到20%～50%甚至更高，我国抗震标准那么提出附加阻尼比不易超过20％。美国ASCE－7限制阻尼比在35％以上选用。这是因为当附加阻尼超过35％时，结构的减震效果明显降低。一般按经验，我们常选定在20%左右。速度指数确实定我们在有关阻尼器的中，已经介绍过关于速度指数上的问题。阻尼器可以按照用户选定的速度指数α进行设计，用于土木结构的阻尼器速度指数一般可以取0.1～1之间。A)线性阻尼器的阻尼力与阻尼器作用速度成线性关系，提高了耗能效果的非线性阻尼器可以在保证到达同样的减振效果的同时，降低30％以上阻尼出力，从而也减小在大震下阻尼器连接件的负荷。B)一般的说，虽然速度指数越小时可以消耗较多的能量。计算原理和步骤我国抗震标准规定：消能减震结构的地震影响系数可根据消能减震结构的总阻尼比按标准〔抗震标准〕条的规定采用。当建筑结构的阻尼比按照有关规定不等于0.05时，地震影响系数曲线的阻尼调整系数和形状参数为：曲线下降段的衰减指数；〔1〕阻尼调整系数；〔2〕消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比之和消能部件附加的有效阻尼比可按下式估算：〔3〕式中为消能减震结构的附加有效阻尼比，为第j个消能部件在结构预期层间位移下往复一周所消耗的能量；设置消能部件的结构在预期位移下的总应变能；不计及扭转影响时消能减震结构在其水平地震作用下的总应变能可按下式估算：〔4〕式中质点i的水平地震作用标准值；质点i对应于水平地震作用标准值的位移；速度线性相关型消能器在水平地震作用下所消耗的能量可按下式估算：〔5〕式中消能减震结构的根本自振周期；第j个消能器由试验确定的线性阻尼系数；第j个消能器的消能方向与水平面的夹角；第j个消能器两端的相对水平位移；工程中利用粘滞阻尼器直接消能减震时根本以非线性阻尼器为主，速度指数取值一般在0.3～1.0之间，原因是非线性阻尼器在低速运动〔如小震或风荷载〕中也可以获得较好的减震效果，提供较大的出力，并吸收更多的能量，获得更大的滞回曲线。标准并未给出非线性阻尼器给结构带来附加阻尼比的具体算法，也没有给出线性与非线性阻尼器之间的等效转化公式，很多设计者在实际工程中难以直接采用这种计算方法，因而很难精确确定附加阻尼比的大小，未能在实际设计中考虑附加阻尼比对结构抗震能力的改善，结合美国相关标准计算线性阻尼器和非线性阻尼器的等效方法，此处对我国抗震标准对应环节做出如下补充：对于工程采用非线性阻尼器的情况，需将非线性阻尼器阻尼系数等效转化为线性阻尼器阻尼系数之后再通过我国抗震标准推荐的方法进行附加阻尼比公式计算。首先根据结构相关信息求出阻尼器的最大运动速度〔6〕为第j个消能部件在结构预期层间位移下的最大运动速度；通过阻尼器的最大速度和线性阻尼系数求出线性阻尼器的最大出力〔7〕式中为第j个消能部件在结构预期层间位移下的最大出力，再根据相同速度工况下阻尼器出力相等的等效公式求解阻尼器的非线性阻尼系数〔8〕〔9〕式中为第j个非线性消能部件在结构预期层间位移下的最大出力，第j个非线性消能部件在结构预期层间位移下的最大运动速度；为第j个非线性消能部件的速度指数。因此，非线性的阻尼器相关参数，通过出力等效公式便可转化为线性阻尼器参数，进而估算出采用阻尼器给结构带来的附加阻尼比。消能减振结构的时程分析法结构分析中使用最多的是采用地震波输入的时程分析。采用时程分析法求解消能减振结构是一种精确计算方法，它可以根据实际情况建立计算模型，考虑质量及刚度分布，并时时输入地震动加速度，可以防止由于简化附加阻尼器后所带来的非正交阻尼矩阵的计算误差，可以考虑地震动的烈度、频谱特性及持时，可以很容易的处理阻尼器的非线性问题。目前由于大型有限元程序的普及，这种方法正逐渐普及。在美国大都采用SAP2000和ETABS程序进行计算机分析。对于大型复杂结构我们建议采用时程积分的方法进行计算，其分析的过程应该是：设计地震，地震记录的选择；建立结构分析模型，为了考虑施加阻尼器的位置，应该作未设阻尼器下的计算分析，找出结构的薄弱层和施加阻尼器的最正确位置，确定控制目标；选择安置阻尼器的位置，设计阻尼器的类型和参数。并将设计的阻尼器输入计算模型；计算分析。一般可作弹性分析加非线性阻尼器；计算结果的后处理和满意程度判断；对于不能满意的结果，或需要更好的优化设计，可以按III-IV-V的顺序进行迭代设计，直到满意为止。最初，可以首先采用线性阻尼器对结构进行弹性时程分析，得到结构的耗能情况，作判断阻尼器安置位置的概念设计，并进一步对结构进行非线性阻尼器的分析并优化设计，如果时程分析的计算结果不能满足我们的设计要求，如位移过大，可以调整阻尼系数重新计算。如果受力过大，可以调整阻尼比或分成多个阻尼器解决。地震波输入在进行时程分析过程中，很重要的一步就是选择有效的地震波加速度数据。所选用的地震波应与结构所处的场地和设计反响谱相符，选取地震波时应注意以下内容：所选取的地震波的场地类别与工程场地特征周期应相同或着比拟接近，同时可参照结构第一振动周期；应根据该地区抗震设防烈度调整地震波的加速度峰值；地震波所持续的时间应保证结构的非线性工作可以全部展现，其持续时间至少应为结构自振周期的2～3倍；选用波形的数量，根据我国抗震标准之规定，应不少于两条天然波和一条人工模拟波；在美国ASCE－7标准中要求计算7条以上的地震记录并取平均值作为设计考虑。人工地震波可以模拟设计反响谱，也可以按照场地特性进行合成。阻尼器的计算参数阻尼器的位置及参数设定是一个需要反复调整及迭代的过程。目前由于非线性阻尼器具有较高的耗能能力，应用较多，但同时由于阻尼力的非线性也增加了计算的难度。一般来说，非线性粘滞阻尼器的减震特点是：在阻尼系数一定时，如在0.1-1范围内随指数增大，同样阻尼力的情况下控制效果可能下降，耗能能力降低；当阻尼指数一定时，随阻尼系数的增大，阻尼力逐渐增大，控制效果逐渐增强，层间位移成减少趋势，当然，输出阻尼力大了阻尼器的费用也就随之增加。图5-2非线性阻尼元件图示图5-3Sap2000非线性阻尼器在图5-3Sap2000非线性阻尼器其非线性力-位移关系为：〔5-17〕单元总变形为弹簧变形与阻尼变形之和： 〔5-18〕式中，F为单元非线性出力，k为弹簧刚度，c为阻尼系数，dk为弹簧变形，为阻尼变形速率。阻尼指数必须为正值，使用的取值范围为0.2～2.0间(当小于0.2时，有可能引起计算结果不收敛)。Sap2000建议假设期望纯阻尼行为(如普通液体粘滞阻尼器〕，弹簧的效果可通过使其足够刚性来忽略，弹簧刚度值可为其他杆件刚度的100倍～10000倍，其刚度不易取值过大，以免引起数值问题。图5-3为Sap2000中进行阻尼器单元设置的窗口，在设置窗口中分为线性工况与非线性工况两局部，分别用于线性时程分析和非线性时程分析两类计算工况。在非线性分析时那么忽略阻尼器单元内的线性局部，非线性振型叠加法可考虑非线性单元的设置，而非线性时程分析法可考虑Sap2000中的任何非线性因素，包括材料的非线性、几何非线性以及非线性阻尼器这类的非线性单元。计算方法描述时程分析所采用的方法有许多种，如线性加速度法、Newmarkβ法、Wilsonθ法、Runge-Kutta法及中心加速度法等。Newmarkβ法和Wilsonθ法由于计算精度高、误差容易控制、计算效率较高，目前较为常用。通常情况下，附加阻尼元件的计算模型在进行时程分析时需要较长的时间，如果还需要考虑材料弹塑性，且模型计算单元及节点较多时，那么需要更多的计算时间及计算数据量。如果仅考虑非线性元件(阻尼器)的非线性，那么更为快速和有效的方法是由美国教授Wilson提出的非线性模态分析法，这种方法虽然不能考虑主体结构非线性，但是可以考虑阻尼器对结构产生的非线性特性，这种方法计算量很低，对于高层及大型结构的减震效果计算分析是非常有效的。在美国，一般认为，对于一般工程设计，这就足够了。对于结构阻尼比的设定可以采用常数阻尼比，即假定结构全部振型的阻尼比相同，常数阻尼不能考虑阻尼随频率和振型的变化；更为有效的方法是采用Rayleigh阻尼，需要指定两个卓越周期或频率所对应的阻尼比值，通常可以选定两个振型参与系数相对较大的周期或频率作为参考。当结构比拟复杂时，应确保所计算的振型数的累积有效质量率大于95％，还应保证频率范围足够覆盖加速度反响谱的主要范围。消能结构的后处理及分析比拟通过对计算结果的后处理可以有效评价消能减振结构的减振效果，在后处理的过程中应分别提取结构在设置阻尼器前及设置后的反响信息，并进行如下几个方面的比拟：层间位移的比拟〔StoryDrifts〕，对于混凝土框架结构而言，这项指标非常重要，它往往代表结构所具有的变形能力；楼层加速度的比拟〔FloorAccelerations〕，一方面反响了结构在脉动风作用下舒适度情况，另一方面那么说明通过设置阻尼器可以降低结构构件在地震作用下的受力；基底剪力在控制前后的比拟〔BaseShear〕，对于一些基底剪力缺乏的结构加固工程，这经常是一项控制指标，代表着结构柱受到剪力的削弱情况；顶点位移的比拟〔RoofDisplacement〕，某些标准的控制指标。一方面可以通过数字列表的方式进行比照，也可采用图形的方式进行效果分析〔如下列图所示〕。图5-4时程曲线比照(位移)需要补充的是，标准要求各地震输入的时程分析计算结果应与设计反响谱的计算结果比照，其误差要控制在一定的范围之内。如抗震标准要求采用弹性时程分析时每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反响谱法计算结果的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响谱法计算结果的80%。最后，需要订货采购的阻尼器应列出下表中的各个参数。这些都是生产阻尼器时所必须知道的。表5-6定货阻尼器的主要参数1最大阻尼力(KN)2最小平安系数3从活塞位于中点计算,最小可以运动位移〔最大冲程〕(mm)4阻尼系数C(kN/(m/s)α)5阻尼的速度指数α6使用温度7最大风能输入〔如果要求〕8最大的阻尼器尺寸〔如果空间有限〕9阻尼器的安置示意图〔如果已有〕5.4抗风用阻尼器的设计结构设计需要进行抗风计算，特别是高层结构和形体特殊的大跨结构等。一般说来抗风计算按照《高层建筑设计规程》用等效静力法进行分析。对于有特殊要求的结构，可以根据风振曲线的时程积分计算。风振曲线的获得要结合场地风的特性，可以由作风洞试验的单位提供，也可以人工合成人工风振曲线。6.阻尼器的连接两端饺接多数阻尼器的安置是这种形式。两端用销子和支架相连，连接处内设球形转承。与销轴垂直的平面