围护墙多功能减震结构的试验模型设计及减震效果的仿真分析

石桂菊，何明胜，郑军伟

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003）

围护墙多功能减震结构的试验模型设计及减震效果的仿真分析

石桂菊，何明胜，郑军伟

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003）

为了对围护墙多功能减震结构（EWMVS）进行减震效果的试验研究，本文根据试验方案中的结构模型和动力参数在有限元分析软件SAP2000中建立了EWMVS的有限元模型，并进行基本特性对减震效果的影响分析，旨在研究EWMVS的减震原理及减震效果。研究结果表明，EWMVS体系的位移和加速度响应相对于抗震结构的降低幅度分别为43.41%、45.12%，说明EWMVS对减震有效，且子结构应尽量满布、频率比越接近1.0减震效果越好，最后，提出了围护墙多功能减震结构中减震装置性能参数的确定原则，设计中应根据实际结构的具体情况对EWMVS的各参数进行必要的优化。

围护墙；减震效果；仿真分析；参数优化

围护墙多功能减震结构（EWMVS）作为一种新型减震结构形式［1］，充分综合了自身各部分结构的优点，使得T MD能够灵活布置并且不需附加质量块，适用于多高层框架建筑中。EWMVS的减震原理类似于MT MD结构体系，不同之处在于创新性地提出以围护墙作为T MD子结构的质量块，该结构体系的控制装置立面如图1所示。

此结构的特性是，在小震作用下主体结构与围护墙作为一个整体提供侧移刚度来抵抗水平地震作用，类似于框架填充墙结构；中、大震作用下，围护墙子结构与主体框架有机结合起来，形成一个多功能调谐减震系统，能有效减轻地震作用对建筑结构的损害，其原理与巨型框架多功能减振结构体系类似［2］。由于框架结构中的每片墙都可以作为质量块，因此可以根据实际需要设定T MD的个数、位置等来保证建筑结构受到的损害降至最低。围护墙多功能减震结构的提出，既解决了传统调谐减震技术需要另设质量块而增加造价的不足，又为高层、超高层建筑的减震理论拓展了思路及发展空间。

本文以EWMVS的课题为背景，针对振动台试验建立有限元模型，进行参数设计和地震反应分析，提出影响减震效果的主要因素及其影响规律，给出了EWMVS中减震装置性能参数的确定原则，为振动台试验提供参考和依据［3］。

图1 EWMVS的控制装置Fig.1 The control device of EWMVS

1 基本平衡方程及影响因素分析

EWMVS受到地震激励而振动，若激励频率接近主体结构的固有频率时，建筑结构将产生共振。此时，如果调节围护墙子结构的固有频率，使其接近激励频率或者主体结构的振动频率，子结构因主体结构振动而受到的惯性力会反向作用于主体框架上，从而抑制主体结构的振动，减轻地震损害。理想条件下，主结构的振幅甚至为零，即振动反应消失，而子结构的振幅在允许范围内不致造成结构的损坏。由此可见，调节围护墙子结构的固有频率与地震动的激励频率问题是T MD系统应用于EWMVS的核心问题，这也是调谐质量减震技术的工作原理。

该结构基底受地震波作用时，SAP2000中的非线性时程分析的基本平衡方程为［4］：

上式中：M、C、K分别为主结构的质量矩阵、粘滞阻尼矩阵和静力刚度矩阵，且采用瑞利阻尼C＝a M＋b K；u（t）u（t）u（t）分别表示节点的绝对位移、速度和加速度；R（t）是外部施加于结构的荷载向量；RNL是非线性单元力总和的整体节点力向量。

对于MT MD的研究表明，主子结构的质量比、刚度比以及子结构的阻尼比对减震结构的减震效果影响较大，此外，T MD个数、布置位置、场地条件等也会影响结构的减震效果。

本文针对振动台试验条件，选定质量比以及刚度比为影响因素进行E WMVS的减震有效性分析。

1 试验模型设计及有限元模拟

1.1 模型设计

为了验证EWMVS的减震有效性及质量比刚度比对减震的影响规律，制作了三层单跨钢结构模型，其平立面尺寸如图2所示。

试验用地震波为压缩后18.96 s的El－Centr o波，通过改变墙体质量以及U型金属阻尼器的厚度来验证该模型的减震效果，分析主子结构质量比以及刚度比对EWMVS减震的影响规律。

试验模型的主体框架采用钢结构，梁、柱模型材料与原材料相同，均为A3钢材。楼板质量以混凝土配重质量模拟，围护墙为120砖墙。

试验模型的平立面尺寸如图2所示，长1780 mm、宽1670 mm、高3200 mm，构件截面尺寸如下：框架柱：H W100×100×6×8，框架梁：HN150×75×5×7；垫梁采用8号槽钢；楼板是240 mm×1000 mm×1100 mm的混凝土块。

试验模型如图3所示。

试验将在西安建筑科技大学实验中心进行。

1.2 工况设计

首先，对普通抗震框架模型进行锤击试验，测得结构的自振特性。再对普通框架进行地震作用下的抗震测试，分别输入名义加速度峰值分别为100、200、400、600、800 gal的 El－Centro波，地震波输入方向为X方向，得到抗震框架模型结构的地震反应情况。然后，对围护墙多功能减震结构重复上述过程，即先进行模型的锤击试验，再分别按表1所示工况输入不同震级的地震波，通过改变U型金属带片的厚度确定子结构刚度的取值范围，通过改变墙体的个数来确定主子结构质量比的优化规律，将减震时所得结果与抗震情况作对比，分析各因素对减震效果的影响。

图2 模型平立面尺寸Fig.2 The plan and elevation size

图3 试验模型Fig.3 The experi mental model

表1 试验工况设计Tab.1 The test conditions design

1.3 有限元模型的参数设计

在SAP2000中建立与试验模型相同的有限元结构，包括相同的尺寸、材料、荷载、配重等。

本试验所用的阻尼单元为U型金属带片，在SAP2000中采用具有线性属性的Wen塑性单元（Plastic Wen），试验模型的隔震单元采用滚轴支座的形式。考虑到试验中滚轴与梁的接触误差的存在，使得脆性抗压件并未到达屈服状态，因此在SAP2000中应是线性属性，也用Plastic Wen型连接单元模拟。

对于钢框架，结构的模态阻尼比一般设定为0.02，表示两个相邻的震动极大值之间的衰减比为0.88［4］。在定义函数时，将时间间隔值设为0.0127以便将地震波压缩为18.96 s，而定义分析工况时，选择非线性振型积分方式的时程动力分析方法，施加荷载的比例系数与输入试验模型中地震波的名义加速度峰值的对应关系在表1中给出。

2 有限元时程分析

处理结构在地震作用下的地震反应问题多采用非线性动力时程分析法。本文采用FNA法对所建模型进行动力分析。定义非线性分析工况时需要注意初始状态的确定，而时程类型则选择为模态积分方式，此时，只考虑结构连接单元的非线性，而不是所有材料包括框架梁柱等的非线性，这样更复合实际情况。

2.1 EWMVS的有效性

在对EWMVS的减震有效性进行验证时，为方便起见，将围护墙多功能减震结构称为减震结构，将普通框架围护墙结构称为抗震结构。在SAP2000中，设定主子结构总质量比为3.03，子结构刚度给定值为50 k N／m，用时程分析法研究抗震结构和减震结构在不同工况下的动力反应，将两种结构柱顶的位移反应和加速度反应作对比分析。

图4是输入地震波加速度为600 gal时的位移和加速度反应对比曲线。

由图4可知：减震结构的地震反应明显小于抗震结构的地震反应，减震结构位移降低幅度约为43.41%左右，加速度降低幅度为45.12%左右。由此可见，对于围护墙来说，在抗震结构中仅起围护作用，而在减震结构中则起到了很大的减震作用，即E WMVS对于减震作用方面是有效的。

图4 减震结构与抗震结构地震反应对比曲线Fig.4 The comparison curve of damping structure and antiseismic structure

2.2 质量比对减震的影响

分别对二三层布置墙与仅三层布置墙的工况进行时程分析，将得出的各工况下结构的地震反应作对比分析，当输入地震波名义加速度峰值为600 gal时，两种结构形式下的柱顶位移和加速度反应如图5所示，不同质量比时结构柱顶位移与加速度的减震幅度如图6所示。其中，减震幅度指的是减震结构二三层布墙时的位移（加速度）与仅三层布墙时的位移（加速度）的差值除以仅三层布墙时减震结构的位移（加速度）值。

由图5和图6可知：二三层布置墙时地震反应要比仅三层布置墙时的地震反应小，说明T MD个数越多，E WMVS的减震效果越好。由图6可知：各级地震作用下，地震反应的降低幅度随着输入结构的名义加速度峰值的增大而增大，在600 gal时达到最优效果，位移的降低幅度约为18.05%左右，加速度的降低幅度约为32.5%左右，地震加速度继续增大时，地震反应的降低幅度不再明显变化。

图5 600 gal地震波作用下结构的地震反应Fig.5 The seis mic response of structure under 600gal earthquake

图6 n＝2与n＝4时柱顶位移和加速度反应降低幅度Fig.6 The decrease of displacement and acceleration when n＝2 and n＝4

2.3 刚度变化对减震的影响

由E WMVS的工作原理可知，主子结构的频率比越接近，子结构受到的惯性力会反向同步作用于主结构，此时的减震效果最理想［5］。而主子结构的刚度比归根结底指的是频率比，当主子结构频率比及质量比一定时，可以确定刚度比变化对减震效果的影响规律。刚度变化的调节是根据U型金属带片厚度的调节来实现的［6］，结构柱顶位移及加速度反应随输入地震波名义加速度峰值的变化情况如图7所示，刚度K＝24.8、80、198、380 k N／m时分别对应U型金属阻尼器厚度为2、3、4及5 mm时的结构地震反应情况。

由图7可见：随着输入结构地震波名义加速度峰值的增大，结构柱顶的地震反应是呈基本线性增大的。但是，刚度变化所引起的地震反应对位移和加速度有不同的变化，随着刚度的增加，位移先减小后增大再减小，刚度为80 k N／m及380 k N／m时的位移均较小；加速度的变化趋势也是先减小后增大再减小，与位移相比幅度变化较大，刚度K＝80 k N／m时加速度反应最小。综上所述，结构的地震反应随刚度的增大呈现先减小后增大再减小的趋势，在刚度为80 k N／m即U型金属阻尼器厚度为3 mm时的地震反应最小，即减震效果最好。

图7 不同刚度比时位移和加速度反应Fig.7 The displacement and acceleration under different stiffness ratio

3 结论

本文围绕围护墙多功能减震结构体系的工作原理和优越性，研究了部分结构基本特性对减震性能的影响规律，通过计算分析得出以下结论：

1）地震作用下，围护墙多功能减震结构柱顶侧移与抗震结构基本相同，但减震结构具有明显的减小框架柱顶侧移的作用。不同震级下，位移反应降低幅度在43.21%～43.52%之间，加速度反应降低幅度在45.08%～45.20%之间。

2）围护墙子结构的质量存在最优取值，即墙体厚度、所用材料以及用于减震的墙体数量应进行优化设计，应使T MD子结构布置的多一些，且尽量布置在结构顶部。

3）围护墙子结构的刚度比也存在最优取值范围，本结构模型的最佳刚度为80 k N／m，建议在结构设计中考虑参数的优化设计以便取得更好的减震效果。

［1］张红彬，何明胜，刘成刚.围护墙多功能减震结构减震性能研究［J］.石河子大学学报：自然科学版，2009，27（5）：637－641.

［2］蓝宗建，田玉基，曹双寅，等.巨型框架多功能减振结构体系的减振机理及其减振效果分析［J］.土木工程学报，2002，35（6）：1－5.

［3］熊世树，潘琴存，黄丽婷.FPS型T MD振动台试验模型设计及减震效率仿真分析［J］.工程抗震与加固改造，2006，28（5）：63－67.

［4］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京：人民交通出版社，2006：503－505.

［5］何明胜，石桂菊，张红彬，等.调谐质量减震技术的研究及其应用前景［J］.石河子大学学报：自然科学版，2010，28（5）：618－624.

［6］霍晓鹏.一种新型滑移隔震体系的理论分析与研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2007：32～50.

The Experi mental Model Design and Effect Stimulation Analysis of Enclosure Wall Multi－f unctional Vibration－Absorption Structure

SHI Guij u，HE Mingsheng，ZHENG Junwei
（College of Water Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，832003，China）

Before the experi mental study of the damped effect of enclosure wall multi－functional vibration－absorption structure，the finite element model is built in SAP2000 wit h the same parameters of testing program and the impact analysis of the fundamental properties to damped effect is processed to discuss the damped principium and damped effect of EWMVS.The findings indicate that the displacement and acceleration of EWMVS decreased 43.41%and 45.12%compared to the ant is eismicstructure which demonstrate the effectiveness of this structure.The substructure should fill the whole structure and the frequency ratio should be closed to 1.0.In the end，the setting principle of EWMVS parameters is proposed which should be optimized when designed in actual engineering.

enclosure wall；damped effect；stimulation analysis；optimized parameters

R337.3

A

1007－7383（2011）03－0352－05

2011－03－09

国家自然科学基金项目（50868011）

石桂菊（1986－），女，硕士研究生，专业方向为结构减震控制；e－mail：wusuoweitian＠sina.com。

何明胜（1971－），男，教授，博士，从事组合结构及抗震方面研究；e－mail：h ms1971＠163.co m。