高层厂房在粘滞流体阻尼器作用下的控制分析

武晓辉 刘瑜新

(1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454750; 2.中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000)

1 概述

近年来的破坏性地震和飓风使我们深刻的认识到即使是在一个先进的工业国家，建筑环境仍然严重的受到自然灾害的影响。为了有效地降低这种影响，并提升结构工程的稳定性，需要对其抗震控制进行合理地设计[1]。目前结构控制方式分为不同的类型，例如有主动控制、被动控制等方式[2]。20世纪50年代开始出现了粘滞流体阻尼器，并逐步将其应用到了建筑工程中，其在减振方面作用明显，当出现地震时，阻尼器能够减小建筑结构的位移与速度峰值，能够有效地提升建筑结构的强度和稳定性[3]。受到地震的影响，建筑结构的动力参数容易出现摄动，此时系统固有频率和结构受控频率之间的调谐会引起飘移[4]。因此可以通过多重粘滞流体阻尼器技术来提升结构控制的频带宽度和鲁棒性。相关研究表明，建筑结构在受到强震的影响时，其结构本身会同时发生平移和扭转振动，使得动力作用明显地增大，容易对建筑结构造成更大的破坏[5]。本文通过设置粘滞流体阻尼器，以达到控制结构平动与扭转振动。

2 工程概况

本文的主要研究对象是高层煤气化结构的工业厂房，其长、宽、高参数分别是55.7 m，18.1 m，63.9 m，整个厂房总共有12层，其中第1层与第10层之间的结构都是钢筋混凝土，而其他两层是钢结构，每一层的高度都处于4 m～9 m范围内。此厂房抗震设防烈度达到了7度，属于二类场地，设计的基本地震加速度是0.15g。通过试验数值模拟研究，现将粘滞流体阻尼器，安装在第1层～第7层中间跨上，斜向布置，根据布置方案共设置粘滞流体阻尼器消能支撑43支。其三维实体模型如图1所示，粘滞流体阻尼器布置图如图2所示，钢支撑布置图如图3所示。

3 粘滞流体阻尼器选型及模态分析

阻尼力表示如下[6]：

(1)

其中，sgn为函数符号；α为流量修正系数(速度指数)。

图4中即为双出杆型粘滞流体阻尼器的外形图。

说明：阻尼器总长L是指活塞处于平面位置时，两耳环的中心距，总长可根据具体情况另行设计，通常总长L=L1+L2+5×φd+5×1.2×s，其中,s为极限位移。由总长计算公式，选择的阻尼器具体参数如表1所示。根据布置方案共设置粘滞流体阻尼器消能支撑43支。

表1 阻尼器的参数

对于粘滞流体阻尼器来说，如果其固有频率低于3 Hz时，即属于一种无刚度阻尼器，此时阻尼器安装在结构中并不改变结构的原有刚度，只对结构体统附加阻尼，形成流体阻尼器对结构的控制力[7]。在地震作用下，一般工程的振动均为低频振动，振动频率小于3 Hz，因此能够适用于上述情况。

所有结构材料都使用了线弹性材料，然后进行模态分析的过程，并得到了图5中展示的前五阶模态图，基于此可有效地对结构的固有频率等振动特征进行描述。通过图5可看到不同阶的变形特征，其中一、二阶模态都是平动变形，但前者是东西方向，后者是南北方向。第三阶是扭转变形，第四、五阶都是二阶平动变形。

4 结构振动减振设计

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

不同情况下的自振频率见表2。

表2 结构在四种情况下的自振频率

5 结构的瞬态动力学分析

5.1 地震波的选取

表3 计算模型

模型模型组成建模目的M1煤气厂房结构研究地震对主结构的影响M2加设钢支撑模型研究钢支撑对结构的影响M3加设粘滞流体阻尼器模型研究粘滞流体阻尼器对结构的影响M4加设粘滞流体阻尼器和钢支撑研究粘滞流体阻尼器与钢支撑共同作用对结构的影响

在实验过程中首先需要加载地震波，通过对其水平分量的处理就能够获得加速度标准反应谱，使其能够更好地体现出地震波对各个自振周期单质点体系的最大反应。地震波的持续时间还需要满足一定的条件，一般需要保持在12 s以上，其间隔一般设置为0.01 s或者是0.02 s[9]；本文中经过分析之后将其持续时间与间隔时间分别设置为19 s与0.01 s。然后采用迁安波、天津波对结构进行二阶段地震弹塑性反应分析。此时得到的地震波即为图6。

表4 地震作用下结构在各顶层最高点位移最大值 mm

5.2 振动控制效果分析

计算模型及振动控制效果见表3，表4，图7～图12。

6 结论

1)从表4，图7，图8能够明显的看到：a.地震波对于厂房造成了明显的影响，各个模型的变化特征大体一致，位移峰值与层数趋近于线性关系，由此可以证明建筑结构发生的是弹性变形过程。b.两组地震波作用下，添加粘滞流体阻尼器和钢支撑后结构的位移峰值降幅最大，单独添加粘滞流体阻尼器次之，单独添加钢支撑对厂房减振作用最小,且有时会增大结构的位移。c.当添加粘滞阻尼器时位移峰值降幅达53.7%，对结构的平动抑制较强。

2)由图9，图10可知，在地震作用下添加钢支撑结构位移和速度有时会大于原结构的位移和速度，对结构振动有不利影响。在新结构中加入粘滞流体阻尼器后的位移、速度峰值都明显地降低，可以证明其在减振方面能够发挥较大的作用。

3)如果作用的地震波不一样，结构的地震时程响应也不相同，由于结构基本频率与迁安波的频率较接近[10]，故粘滞流体阻尼器的控制效果相对更好。

4)模型M4的峰值略小于模型M3的峰值，证明单一的粘滞流体阻尼器可达到抑制结构的平动目的，且能够降低结构的自重，并可节约部分钢材。

5)相对于原始时程曲线和单独加设钢支撑的时程曲线，添加粘滞流体阻尼器之后的曲线表现出更加明显的滞后性特征，如图11，图12所示。并且在天津波作用下，结构的角位移和角加速度峰值分别降低39.2%和48.9%；在迁安波作用下，结构的角位移和角加速度峰值分别降低23.3%和31.5%。故结构的角位移和角加速度得到了较好的控制。由此表明，粘滞流体阻尼器对结构在地震作用下的扭转振动控制效果也较好。