T形芯板摩擦阻尼器在高层钢框架结构振动控制中的研究

张海龙，李大华

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601 )



T形芯板摩擦阻尼器在高层钢框架结构振动控制中的研究

张海龙，李大华

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601 )

摘要：在结构上附加耗能减震装置是结构被动控制的一种。T型摩擦阻尼器作为一种新型摩擦耗能装置，因其在结构中减震时受到的影响参数少，所以被广泛用来结构的减震隔震。本文通过对在高层钢框架结构中配置T形芯板摩擦阻尼器，在罕见地震作用下的动力分析，并应用SAP2000软件对比分析得到框架结构的位移、内力响应差异，验证了T形芯板摩擦型阻尼器在对高层钢框架结构具有很好的耗能减震效果。

关键词：摩擦型阻尼器;耗能减震;振动控制;恢复力模型;位移相关性阻尼器;弹塑性时程分析

0引言

随着建筑行业的发展，建筑空间结构的设计要求更加趋于抽象、多元化，多层和高层建筑逐渐增多，同时人们对建筑物抗震(振)的性能的要求越来越高，对于工程中的钢结构[1]重量轻、强度高、整体刚性好、变形能力强等优点，已被广泛的应用于建筑工程中；由于地震破坏的突发性、不可预测性和钢框架结构的复杂等特点，钢框架结构在强烈的震动作用下会发生较大的变形，很容易造成节点的开裂和支撑压曲等震害的发生。

在对结构安全抗震的研究中，人们的抗震(振)振动控制理念和耗能减震(振)技术不断发展完善，简单的抗震方法是利用结构自身的塑性变形来耗能减震，把结构本身及构件作为“消能”装置，但是作为耗能的装置产生塑性变形必然使结构产生不同程度的损坏；根据振动控制设计理念，通过在结构上设置控制装置，由控制机构和结构一起来抵御地震等动力作用，使结构的动力反应减小，有很大程度的减少结构的破坏。

1结构振动控制理念及结构振动控制技术

1.1结构振动控制的设计理念

美国学者J.T.P Yao首先提出结构振动控制[2]理念:通过在建筑结构的主要部位配置相关的振动控制装置,在结构构件受到外界激励作用时，通过相应的减震隔震机理，减少结构振动产生的能量，使结构的位移等响应得到一定的控制，保证结构的正常使用性能，使结构在震(振)动时可以具有一定安全的使用状态。

1.2结构振动控制的技术

根据所采取的控制措施是否需要外部能源的加入为标准可以将振动控制分为:主动控制、被动控制、半主动控制、混合控制、智能控制。

2摩擦阻尼器的作用机理及构造

2.1耗能减震技术

现在最常用最有效的耗能减震技术就是在结构中设置具有一定阻尼系数的阻尼器来控制结构的震动；阻尼器是一种通过自身装置在结构中提供一定的阻力来减少结构震动产生的能量耗能减震装置。

2.2摩擦阻尼器的作用机理及构造

摩擦阻尼器一般布置在结构的X型构件支撑上，是依靠结构受到外界强烈激励作用时主要构件发生塑性屈服前达到的预定荷载作用时产生的位移来减少震动影响的一种位移相关性阻尼器。

早期的摩擦阻尼器是通过在阻尼器上设置一定尺寸开槽的中间钢板产生相对于同时配有的错开铜垫板的相对摩擦运动而耗能的[3]减震隔震构造装置。

在初期摩擦阻尼器的设计理念上研发出的很多新型的摩擦阻尼器，应用最广泛的就是T形芯板摩擦阻尼器。

T形芯板摩擦阻尼器(如图1)

图1　T形摩擦阻尼器

T形芯板摩擦阻尼器是在Pall型阻尼器的基础上把芯板变为T形，这样做的好处在于：

大大降低了弧形螺栓孔的加工量，减少了加工工艺，有利于提高结构构件的安装加工精度；由于它是在粘滞摩擦阻尼器的基础上进行改造，可以充分利用二者的优点，T形芯板摩擦阻尼器在位移方面的的控制好于同类型的其他摩擦阻尼器，同时又可以在大变形的情况下大大减小柱子的轴压比，可以在一定程度上提高柱子延性，从而控制了柱子在震动中的破坏影响。

3框架结构计算模型及分析

3.1T型摩擦阻尼器的受力模型和计算公式

对于T型摩擦阻尼器而言，通过几何构造分析可以发现，耗能支撑体系为瞬变体系。如果忽略阻尼器几何位置变化对支撑杆和阻尼器连杆受力方向的影响，即忽略几何非线性；简化后的T型摩擦阻尼器的受力模型如下图2所示：

图2　T型摩擦阻尼器的受力模型

加入了摩擦型阻尼器的结构弹塑性时程分析的运动方程[4]为:

(1)

3.2结构模型的建立

对钢框架结构进行模型简化，选取12层钢框架结构,横向和纵向均为三跨,每跨跨度为7.2m,首层高是4.2m,2层以上都是3.6m。梁柱采用的构件材料都是Q235的H型钢,1—3层柱截面取750mmx750mmx25mmx30mm,三层以上柱截面取650mmx650mmx22mmx28mm ,所有梁截面的尺寸为600mmx350mmx18mmx25mm。建筑8度设防,场地类别为II类,设计地震分组为第二组。结构模型如图3所示：

图3　结构模型简化图

3.3计算参数的确定

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[5]规定,同时根据钢框架结构场地类型，进行简化模拟选择适合该地区地震波，选取EL-Centro波并人工拟合一条地震波来对模型进行抗震分析，对于 EL Centro波加速度峰值341.7cm/s2作用时间取为50s，人工波加速度峰值取值为196.2cm/s2，作用时间设为20s。

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010) 规定，分析研究结构的工程特性和阻尼器的布置规则，考虑结构自身阻尼的影响，取结构自身阻尼比为0.05作为参考值。本抗震试验模拟采用SAP2000软件进行模拟，考虑到摩擦阻尼构件自

的阻尼特性以及和结构阻尼的特性选取再进行模拟受载时摩擦型阻尼器的阻尼系数取4.9*106。

根据钢框架结构的受力变形特征以及所要分析的变形和内力数据结果，摩擦阻尼器一般布置在结构的X型构件上，可以将钢框架结构简化为层间剪力模型，如图4、5所示：

图4　层间剪切模型

图5　T型芯板摩擦阻尼器的布置

本文对高层框架结构施加摩擦阻尼器在罕见地震作用下的耗能减震进行对比分析，采用两种不同荷载工况下进行动力分析，即对结构不设置和设置摩擦阻尼器两种荷载工况。

3.4动力时程分析结果

首先通过SAP2000软件分析[6]可以对结构进行模态分析，得到结构固有频率和周期等动力特性，作为结构动力时称分析的基础参考和分析结构动力特性的数据，下表给出了没有设置T-型摩擦阻尼器结构前七阶振型的自振周期和频率。如表1所示：

表1　模型的前七阶自振周期、频率

通过表1可以看出，结构场地特征周期与表中结构主振型周期2.943S不相近，可以判断出设计的框架结构合理。

经过SAP2000软件的时程动态分析可得到以下结果图形数据：

表2　EL-centro波作用下的楼层最大位移

图6　EL-centro波作用下的楼层最大位移对比

图7　人工波作用下的楼层最大位移对比

楼层123456789101112工况一4786125146151173190208232241237251工况二2546707687108117126132145150157

图8　EL-centro波作用下边柱轴力比

图9　人工波作用下边柱轴力比

图10　EL-centro波作用下的边柱弯矩比

图11　人工波作用下的边柱弯矩比

楼层123456789101112工况一781272436789632759215198478643253845332528752534工况二467543253978376434783198290826922433205417211210

表5　人工波作用下边柱轴力

表6　 EL-centro波作用下的边柱弯矩

表7　人工波作用下的边柱弯矩

根据以上分析得到的数据和图表可以得出在不同波的作用下,工况二下的楼层位移边柱轴力、弯矩、剪力都比工况一有很大程度的减小，说明结构在布置了T型芯板摩擦阻尼器后可以很大程度地控制结构边柱的位移、弯矩、剪力等内力响应，减少了结构在受到震动作用下的楼层位移、弯曲变形和轴剪应力破坏效应。

4结论

本文为了研究摩擦阻尼器在钢框架结构中的耗能减震作用，通过采用对比分析的方法，采用无控结构和所有楼层都布置摩擦阻尼器时在罕见地震作用下的弹塑性时程分析，得到如下结论：

(1)通过对地震作用响应图的对比分析，可以发现在结构中布置T形芯板摩擦阻尼器，其楼层最大位移、层间位移角均比未布置阻尼器时明显减小，说明T形芯板摩擦型阻尼器可以一定程度上减少结构震动时所产生的位移影响，可以有效保证框架结构的使用安全。

(2)通过对结构在受到地震作用下内力反应图的观察比较可以发现，对于布置了T型摩擦型阻尼器的结构构件内力效应均比未布置阻尼器结构有很大程度的减少，说明T型芯板摩擦型阻尼器在结构受到外界激励作用时对控制结构内力响应、减少构件受力破坏上有很大作用。

(3)本文只是对T形芯板摩擦阻尼器进行研究分析，在今后的研究中，可以采用其他不同作用原理的减震隔震的阻尼器进行对比分析研究，以便对高层框架结构作出更有参考价值的减震隔震分析研究，可以更大程度的减少震动对结构的破坏，保证高层框架结构在减震隔震方面的研究具有更好的发展前景。

参考文献

1王肇民.建筑钢结构设计[M].北京:地震出版社,1997.

2Yao J T P. Concept of structural control[J]. ASCE Journal of the Structural Division,1972,98(ST7); 1567-1573.

3欧海龙.摩擦消能支撑框架的减震分析及研究[D].湖南:湖南大学,2001;9-13.

4张津娟,潘文,叶燎原．国内外摩擦耗能器研究进展[J]．昆明理工大学学报，2004，29(1)：84-88．

5中华人民共和国国家标准.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

6彭俊生,罗永坤,彭地.结构动力学、抗震计算与SAP2000应用[M].成都:西南交通大学出版社,2006.

Studies on T-shaped Core Plate Frictional Damper in Vibration Control of the High-rise Steel Frame

ZHANG Hailong, LI Dahua

(School of Civil Engineering, Anhui JIANZHU University, Anhui Hefei, 230601)

Abstract:Additional energy consumption structure of shock absorber damping in structure is passive control. T friction damper, as a new type of friction energy dissipation device, has been widely used in shock dissipation and isolation of the structure because it can only be influenced to a low degree By configuring the T-shaped core plate frictional damper in high-rise steel frame structure，under the action of dynamic analysis in the rare earthquake .this paper gets the displacement and internal force response of frame structure through contrastively analysis by the software of SAP2000, Sso as to verify the T-shaped core plate frictional damper has good shock absorptive effect of consumption in the high-rise steel frame structure.

Key words:friction damper; energy dissipation; vibration control; restoring force model; displacement correlation damper; elastic-plastic time-history analysis

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2016)01-030-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160107

作者简介：张海龙(1988-)，男，硕士生，主要研究方向为工程结构的现代施工技术。

收稿日期：2015-08-26