建筑用液體粘滯阻尼器設(shè)計(jì)方法

1、1阻尼器應(yīng)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)和理念傳統(tǒng)建筑，無(wú)論木結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)有上百年的抗風(fēng)，抗震歷史，為什么提出在這些建筑中添加阻尼器？精簡(jiǎn)總結(jié)，有以下幾點(diǎn)原因：l 對(duì)于一些使用要求較高的建筑結(jié)構(gòu)（超高層，大跨結(jié)構(gòu)等），地震，抗風(fēng)形成動(dòng)力難題，需要更合理的解決辦法；l 對(duì)比其他傳統(tǒng)方案，減少結(jié)構(gòu)受力體系的造價(jià)；l 科學(xué)不斷發(fā)展，開(kāi)辟了解決結(jié)構(gòu)工程問(wèn)題的新思路；可以使結(jié)構(gòu)最大限度的保持在彈性范圍內(nèi)工作，為結(jié)構(gòu)提升安全保障。以某抗震加固工程為例，我們對(duì)剪力墻（傳統(tǒng)方案）和液體粘滯阻尼器兩個(gè)方案從理念和計(jì)算結(jié)果作了如下對(duì)比如下表：抗震剪力墻阻尼器剛度增加，結(jié)構(gòu)周期變短，加大地震力結(jié)構(gòu)性質(zhì)不變或基本不變對(duì)

2、結(jié)構(gòu)其它部分反應(yīng)有影響對(duì)結(jié)構(gòu)其它部分反應(yīng)沒(méi)有影響給建筑上帶來(lái)的困難大建筑上容易處理重量大，加大了基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)重量小一旦破壞，難以修復(fù)容易修復(fù)和更換只能抵抗水平振動(dòng)可以減少多方向地震反應(yīng)費(fèi)用高費(fèi)用低我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中已經(jīng)開(kāi)始有了關(guān)于消能減震的有關(guān)規(guī)定。結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)阻尼器應(yīng)用發(fā)展情況和我們的應(yīng)用體會(huì)，我們?cè)僬勔幌略诮ㄖ鲜褂米枘崞鞯哪繕?biāo)和理念。簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們安置阻尼器可以有以下幾個(gè)目的。A 增加抗震、抗風(fēng)能力原設(shè)計(jì)可能已經(jīng)可以滿(mǎn)足所有規(guī)范規(guī)定的抗震抗風(fēng)要求，加上液體粘滯阻阻尼器，在振動(dòng)過(guò)程中起到耗能和增加結(jié)構(gòu)阻尼的作用，從而降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基底剪力，減少整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力，也就可以大大提高結(jié)構(gòu)的

3、抗地震能力。同時(shí)，只要阻尼器安裝的合適，設(shè)置到不同的需要方向，還可以預(yù)防和減少原設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮，或考慮不足的振動(dòng)受力。對(duì)特別重要的結(jié)構(gòu)，高發(fā)地震區(qū)，花錢(qián)不多，設(shè)置這一第二防線是很值得的。對(duì)于非嚴(yán)重地震區(qū)，也可以用阻尼器達(dá)到抗風(fēng)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風(fēng)按小震不壞大振不倒的原則，我們可以用常規(guī)的設(shè)計(jì)辦法使設(shè)計(jì)滿(mǎn)足多遇地震的抗震要求。對(duì)于罕遇的大地震可能顯得不足、不理想或不經(jīng)濟(jì)。用結(jié)構(gòu)的被動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)特別是阻尼器來(lái)等待和解決這罕遇大地震的問(wèn)題，不僅新建結(jié)構(gòu)建議采用這一設(shè)計(jì)理念，原設(shè)計(jì)未設(shè)防抗震或設(shè)防不足的結(jié)構(gòu)加固工程也很適于。這一理念會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)實(shí)用和可靠的結(jié)果，設(shè)計(jì)的好，可

4、以為工程節(jié)省費(fèi)用。國(guó)外抗震先進(jìn)國(guó)家大都采用這一理念。在所有可能發(fā)生地震的地區(qū)，我們主要想提出推廣的這一設(shè)計(jì)理念。國(guó)外有的工程，在結(jié)構(gòu)的小振設(shè)計(jì)中也充分利用施加了阻尼器的優(yōu)越。他們大膽的用加阻尼器后的修正反應(yīng)譜作結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。C減少附屬結(jié)構(gòu)、設(shè)備、儀器儀表等第二系統(tǒng)的振動(dòng)在破壞性地震震害分析中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)、設(shè)備、儀器儀表等第二系統(tǒng)的振動(dòng)和破壞越來(lái)越引起我們的注意。從經(jīng)濟(jì)上看，這些內(nèi)部系統(tǒng)的價(jià)值可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)結(jié)構(gòu)本身。增加結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)出于保護(hù)這一附屬系統(tǒng)就不奇怪了。應(yīng)該說(shuō)，采用阻尼器系統(tǒng)減少醫(yī)院、計(jì)算機(jī)房、交通及航空等重要控制中心內(nèi)部附屬設(shè)備的振動(dòng)是非常必要的。D解決常規(guī)辦法難予解決的問(wèn)題在結(jié)構(gòu)

5、設(shè)計(jì)中有時(shí)遇到高地震烈度、土質(zhì)情況惡劣的地區(qū)，單純的加大梁柱的尺寸會(huì)引起結(jié)構(gòu)剛度增加，結(jié)構(gòu)的周期減小，其結(jié)果可能引起更大的地震力。結(jié)構(gòu)落入這一惡性循環(huán)中。有時(shí)用常規(guī)的辦法難于解決。著名的墨西哥市長(zhǎng)大樓就提供了一個(gè)解脫這一惡性循環(huán)的榜樣。結(jié)構(gòu)抗震如果使用液體粘滯阻尼器，本身沒(méi)有剛度，也就不會(huì)改變結(jié)構(gòu)的頻率，阻尼器增加了結(jié)構(gòu)的阻尼比，起到耗能的作用，比較容易解決這一困難問(wèn)題。在高烈度地震區(qū)，設(shè)計(jì)變得很困難的情況下，建議加入液體粘滯阻尼器重新作一下分析， 可能你會(huì)得到預(yù)想不到的好結(jié)果。E結(jié)構(gòu)上的其它需要除了提髙結(jié)構(gòu)主體的的抗震抗風(fēng)能力外， 阻尼器還能在很多其他方面的抗振動(dòng)上對(duì)結(jié)構(gòu)有所幫助，可以匯總?cè)?/p>

6、下：l 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)，體育場(chǎng)館，特別是開(kāi)啟式屋頂運(yùn)動(dòng)中的減振l 超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑抗風(fēng)的TMD系統(tǒng)l 減少樓板和大型屋蓋垂直振動(dòng)的TMD 系統(tǒng)l 配合基礎(chǔ)隔震的建筑，加大阻尼，減少位移l 設(shè)備基礎(chǔ)減振l 特別重要的建筑-核電站、機(jī)場(chǎng)控制室l 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于計(jì)算的建筑l 加固工程中，空間受限，最好的選擇l 軍事工程，抗爆工程當(dāng)然，阻尼器還是個(gè)新生事物。它的應(yīng)用方面和理念都還在發(fā)展，并有廣闊的發(fā)展空間。3. 阻尼器的使用方法液壓粘滯阻尼器幾乎是唯一可以既減少結(jié)構(gòu)受力又減少結(jié)構(gòu)位移的消能減振阻尼器。在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中我們只要目標(biāo)明確，安放合適就可以起到它的作用。對(duì)于具體結(jié)構(gòu)的安置目的，我們不妨大體分成下面

7、二類(lèi)作介紹：1）為減少主體結(jié)構(gòu)的水平振動(dòng)，同時(shí)減少主體結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)在水平振動(dòng)下的受力和位移。包括框架結(jié)構(gòu)，單廠排架系統(tǒng)，大跨空間結(jié)構(gòu)的梁柱體系，阻尼器都可以以此為目的來(lái)設(shè)計(jì)。2）為減少振動(dòng)中整體或局部位移，以減少振動(dòng)中的位移為主要目的，阻尼器本身的直接耗能可能并不大，而是尋求系統(tǒng)整體作用。常用的有：l 配合基礎(chǔ)隔振加設(shè)的阻尼器：l 配合屋蓋系統(tǒng)與柱頂相連處的阻尼器： l 多塔結(jié)構(gòu)間連走廊處所用的阻尼器。l 減少整體結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)的TMD系統(tǒng)l 減少局部或整體垂直振動(dòng)的TMD系統(tǒng)l 設(shè)備基礎(chǔ)及重要的管道系統(tǒng)用減振系統(tǒng) 3.1 消能減震支撐阻尼器安裝在建筑的不同位置，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的不同目的。隨著阻尼

8、器在結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)等工程項(xiàng)目上應(yīng)用的發(fā)展，很多結(jié)構(gòu)上采用了不同安裝方式、組成不同類(lèi)型的安置模型?？偨Y(jié)目前阻尼器在結(jié)構(gòu)上的安裝方式，主要有對(duì)角支撐，人字型支撐和垂直放置等。對(duì)角支撐在結(jié)構(gòu)的對(duì)角支撐的位置方向上安置阻尼器，看上去和傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)角支撐很相似。其連接方式簡(jiǎn)單，阻尼器的作用清楚，廣泛被結(jié)構(gòu)工程師使用，常被標(biāo)為“阻尼支撐”。實(shí)際上，對(duì)于無(wú)剛性的液體粘滯阻尼器，它完全不是一般概念下的支撐，而是僅僅增加阻尼的體系。如果我希望它增加和剛度和阻尼兩方面起作用，應(yīng)該采用液體粘彈性阻尼器。這種連接方式中，阻尼器的利用效率較低，在傾角 等于37時(shí)， 僅為0.8。注意：這樣使用的阻尼器應(yīng)為一端餃接、一端固

9、結(jié)，兩端鉸接會(huì)形成三餃一線的失穩(wěn)狀態(tài)。 圖3-1 某結(jié)構(gòu)安置的對(duì)角支撐阻尼器人字形支撐這是一種完全用來(lái)減少水平層間位移的體系，阻尼器的一端通過(guò)一個(gè)“人”字型支撐和該層下樓層結(jié)構(gòu)相連并運(yùn)動(dòng)一致。而阻尼器的另一端和樓層上端結(jié)構(gòu)相，運(yùn)動(dòng)一致。支撐的“人”字交點(diǎn)處與上梁并不作受力連接（僅允許水平滑動(dòng)）。注意：人字支撐與主體柱下端（結(jié)點(diǎn)）的連接一定為剛性連接，切勿用成餃接。這種連接對(duì)水平層間運(yùn)動(dòng)的耗能作用優(yōu)于上述對(duì)角形支撐，其 f =1，但對(duì)于只連一個(gè)阻尼器的體系,“支撐”用鋼量可能大于對(duì)角連接方式。當(dāng)然，人字形也可以“倒”用成“V”字形狀，還可以在一套“人字支撐”上安置兩個(gè)阻尼器。 圖32 某結(jié)構(gòu)安置

10、的人字形支撐阻尼器配合伸臂桁架支撐垂直放置 對(duì)于一些超高層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果將加強(qiáng)層切開(kāi)，放大了有彎曲變形帶來(lái)的垂直相對(duì)位移，將阻尼器豎向放置，可以得到很好的減震效果。圖33 某結(jié)構(gòu)安置的垂直放置阻尼器3.2 以減少振動(dòng)中位移為直接目的的阻尼器3.2.1 配合基礎(chǔ)隔振加設(shè)的阻尼器基礎(chǔ)隔振改變了結(jié)構(gòu)的周期，可以大大減少結(jié)構(gòu)在地震中的受力。柔性的連接將地震荷載轉(zhuǎn)化消耗到結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中，起了很大的減震作用。然而，它附加產(chǎn)生出的位移經(jīng)常是工程界難以接受的。阻尼器可以成功地減少這一振動(dòng)中的位移，它已經(jīng)成為基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中必不可少的孿生手段。用于結(jié)構(gòu)整體減少振動(dòng)的隔振系統(tǒng)中的阻尼器應(yīng)該通過(guò)計(jì)算，噸

11、位不易過(guò)小。圖34 配合基礎(chǔ)隔振使用3.2.2 減少整體結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)的TMD系統(tǒng)常用于高層、超高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的TMD(Tune Mass Damper)和LMD( Liquid Mass Damper)是利用一種更為巧妙的辦法減少水平風(fēng)振。在一個(gè)主要結(jié)構(gòu)上加設(shè)一個(gè)與目標(biāo)減振振型頻率一致的小結(jié)構(gòu)，就可以起到減少主結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的目的(參見(jiàn)附錄)。而阻尼器是為了減少這個(gè)附加共振“小體系”的運(yùn)動(dòng)（圖313）。臺(tái)灣101大廈的TMD系統(tǒng)就是這種體系應(yīng)用的典型。圖35 臺(tái)灣101大廈配合TMD系統(tǒng)安置 圖35 其他配合TMD系統(tǒng)安置3.2.3 減少整體或局部垂直振動(dòng)的TMD系統(tǒng)以減少樓板或?qū)由w的垂直振動(dòng)為主

12、要目的的TMD系統(tǒng)是花錢(qián)不多效果顯著的好辦法。工程中常用到到的有以下幾類(lèi)：l 減少大型屋蓋垂直振動(dòng)的TMD系統(tǒng)。l 減少樓板垂直振動(dòng)的TMD系統(tǒng)。l 空中走廊，過(guò)街天橋上安置的TMD系統(tǒng)。圖35 其他配合豎向TMD系統(tǒng)安置4. 液體粘滯阻尼器 （Fluid Viscous Dampers）我們常用阻尼器，未加說(shuō)明時(shí)都是指這種阻尼器。 （4-1）這里， F 阻尼力；C 阻尼系數(shù)；速度指數(shù)；V為活塞桿的速度。這是個(gè)簡(jiǎn)單的一個(gè)公式，卻也是非常容易出錯(cuò)的公式。我們希望有關(guān)的設(shè)計(jì)人員在提出阻尼器的設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，一定要自己用這個(gè)公式計(jì)算一下得到的力和速度是否合理。 圖41 液體粘滯阻尼器5.液體粘滯阻尼

13、器的計(jì)算分析5.1 阻尼器尺寸的估計(jì)與價(jià)格阻尼器和其他機(jī)械產(chǎn)品不一樣，一般安在結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上選用。沒(méi)有現(xiàn)成統(tǒng)一的價(jià)目表，尋求其價(jià)格要依據(jù)以下兩個(gè)主要參數(shù)：阻尼器尋價(jià)表1所需阻尼器數(shù)量2最大阻尼力(KN)3最大沖程(mm)5.2 消能減振結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法5.2.1 設(shè)計(jì)荷載和考慮因素首先，在該標(biāo)準(zhǔn)中明確一點(diǎn)：所有阻尼器的設(shè)計(jì)都要基于最大地震的考慮。l 考慮最大地震下的低周大位移的衰減荷載l 考慮風(fēng)荷載下的髙循環(huán)小位移下的衰減l 考慮重力下的受力和位移的組合l 考慮相關(guān)和連接部件的抗腐蝕、老化、受潮和化學(xué)暴露的影響l 考慮阻尼器的工作環(huán)境5.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取請(qǐng)注意以下幾個(gè)參數(shù)的取值問(wèn)題：

14、設(shè)計(jì)阻尼比的選擇在設(shè)計(jì)阻尼器前我們首先要設(shè)定一個(gè)目標(biāo)阻尼比，通常我們建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比在1%5%之間，原則上我們可以提高到20%50%甚至更高，我國(guó)抗震規(guī)范則提出附加阻尼比不易超過(guò)20。美國(guó)ASCE7限制阻尼比在35以上選用。這是因?yàn)楫?dāng)附加阻尼超過(guò)35時(shí)，結(jié)構(gòu)的減震效果明顯降低。一般按經(jīng)驗(yàn)，我們常選定在20%左右。速度指數(shù)的確定我們?cè)谟嘘P(guān)阻尼器的中，已經(jīng)介紹過(guò)關(guān)于速度指數(shù)上的問(wèn)題。阻尼器可以按照用戶(hù)選定的速度指數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于土木結(jié)構(gòu)的阻尼器速度指數(shù)一般可以取0.11之間。A) 線性阻尼器的阻尼力與阻尼器作用速度成線性關(guān)系，提高了耗能效果的非線性阻尼器可以在保證達(dá)到同樣的減振效果的同時(shí)，降低30

15、以上阻尼出力，從而也減小在大震下阻尼器連接件的負(fù)荷。B) 一般的說(shuō)，雖然速度指數(shù)越小時(shí)可以消耗較多的能量。5.2.3 計(jì)算原理和步驟我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定：消能減震結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)可根據(jù)消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比按規(guī)范（抗震規(guī)范）5.1.5條的規(guī)定采用。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比按照有關(guān)規(guī)定不等于0.05時(shí)，地震影響系數(shù)曲線的阻尼調(diào)整系數(shù)和形狀參數(shù)為：曲線下降段的衰減指數(shù)；（1）阻尼調(diào)整系數(shù)； （2）消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比應(yīng)為結(jié)構(gòu)阻尼比和消能部件附加給結(jié)構(gòu)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）式中為消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比， 為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下往復(fù)一周所消耗的能量

16、；設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能；不計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響時(shí)消能減震結(jié)構(gòu)在其水平地震作用下的總應(yīng)變能可按下式估算： （4）式中質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移；速度線性相關(guān)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）式中消能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期；第j個(gè)消能器由試驗(yàn)確定的線性阻尼系數(shù)；第j個(gè)消能器的消能方向與水平面的夾角；第j個(gè)消能器兩端的相對(duì)水平位移；工程中利用粘滯阻尼器直接消能減震時(shí)基本以非線性阻尼器為主，速度指數(shù)取值一般在0.31.0之間，原因是非線性阻尼器在低速運(yùn)動(dòng)（如小震或風(fēng)荷載）中也可以獲得較好的減震效果，提供較大的出力，并吸收更多的能量

17、，獲得更大的滯回曲線。規(guī)范并未給出非線性阻尼器給結(jié)構(gòu)帶來(lái)附加阻尼比的具體算法，也沒(méi)有給出線性與非線性阻尼器之間的等效轉(zhuǎn)化公式，很多設(shè)計(jì)者在實(shí)際工程中難以直接采用這種計(jì)算方法，因而很難精確確定附加阻尼比的大小，未能在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮附加阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的改善，結(jié)合美國(guó)相關(guān)規(guī)范計(jì)算線性阻尼器和非線性阻尼器的等效方法，此處對(duì)我國(guó)抗震規(guī)范對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)做出如下補(bǔ)充：對(duì)于工程采用非線性阻尼器的情況，需將非線性阻尼器阻尼系數(shù)等效轉(zhuǎn)化為線性阻尼器阻尼系數(shù)之后再通過(guò)我國(guó)抗震規(guī)范推薦的方法進(jìn)行附加阻尼比公式計(jì)算。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)信息求出阻尼器的最大運(yùn)動(dòng)速度 （6）為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下的最大運(yùn)動(dòng)速度；

18、通過(guò)阻尼器的最大速度和線性阻尼系數(shù)求出線性阻尼器的最大出力 （7）式中為第j個(gè)消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下的最大出力，再根據(jù)相同速度工況下阻尼器出力相等的等效公式求解阻尼器的非線性阻尼系數(shù)（8）（9）式中為第j個(gè)非線性消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下的最大出力，第j個(gè)非線性消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移下的最大運(yùn)動(dòng)速度；為第j個(gè)非線性消能部件的速度指數(shù)。因此，已知非線性的阻尼器相關(guān)參數(shù)，通過(guò)出力等效公式便可轉(zhuǎn)化為線性阻尼器參數(shù)，進(jìn)而估算出采用阻尼器給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的附加阻尼比。5.3 消能減振結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析法結(jié)構(gòu)分析中使用最多的是采用地震波輸入的時(shí)程分析。采用時(shí)程分析法求解消能減振結(jié)構(gòu)是一種精確計(jì)算方法，它

19、可以根據(jù)實(shí)際情況建立計(jì)算模型，考慮質(zhì)量及剛度分布，并時(shí)時(shí)輸入地震動(dòng)加速度，可以避免由于簡(jiǎn)化附加阻尼器后所帶來(lái)的非正交阻尼矩陣的計(jì)算誤差，可以考慮地震動(dòng)的烈度、頻譜特性及持時(shí)，可以很容易的處理阻尼器的非線性問(wèn)題。目前由于大型有限元程序的普及，這種方法正逐漸普及。在美國(guó)大都采用SAP2000和 ETABS程序進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析。對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)我們建議采用時(shí)程積分的辦法進(jìn)行計(jì)算，其分析的過(guò)程應(yīng)該是：I 設(shè)計(jì)地震，地震記錄的選擇；II 建立結(jié)構(gòu)分析模型，為了考慮施加阻尼器的位置，應(yīng)該作未設(shè)阻尼器下的計(jì)算分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱層和施加阻尼器的最佳位置，確定控制目標(biāo)；III 選擇安置阻尼器的位置，設(shè)計(jì)阻尼器的

20、類(lèi)型和參數(shù)。并將設(shè)計(jì)的阻尼器輸入計(jì)算模型；IV 計(jì)算分析。一般可作彈性分析加非線性阻尼器；V 計(jì)算結(jié)果的后處理和滿(mǎn)意程度判斷；VI 對(duì)于不能滿(mǎn)意的結(jié)果，或需要更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以按III- IV -V 的順序進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，直到滿(mǎn)意為止。最初，可以首先采用線性阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)的耗能情況，作判斷阻尼器安置位置的概念設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性阻尼器的分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果不能滿(mǎn)足我們的設(shè)計(jì)要求，如位移過(guò)大，可以調(diào)整阻尼系數(shù)重新計(jì)算。如果受力過(guò)大，可以調(diào)整阻尼比或分成多個(gè)阻尼器解決。5.3.1 地震波輸入在進(jìn)行時(shí)程分析過(guò)程中，很重要的一步就是選擇有效的地震波加

21、速度數(shù)據(jù)。所選用的地震波應(yīng)與結(jié)構(gòu)所處的場(chǎng)地和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相符，選取地震波時(shí)應(yīng)注意以下內(nèi)容：1) 所選取的地震波的場(chǎng)地類(lèi)別與工程場(chǎng)地特征周期應(yīng)相同或著比較接近，同時(shí)可參照結(jié)構(gòu)第一振動(dòng)周期；2) 應(yīng)根據(jù)該地區(qū)抗震設(shè)防烈度調(diào)整地震波的加速度峰值；3) 地震波所持續(xù)的時(shí)間應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的非線性工作可以全部展現(xiàn)，其持續(xù)時(shí)間至少應(yīng)為結(jié)構(gòu)自振周期的23倍；4) 選用波形的數(shù)量，根據(jù)我國(guó)抗震規(guī)范之規(guī)定，應(yīng)不少于兩條天然波和一條人工模擬波；在美國(guó)ASCE7標(biāo)準(zhǔn)中要求計(jì)算7條以上的地震記錄并取平均值作為設(shè)計(jì)考慮。5) 人工地震波可以模擬設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，也可以按照?qǐng)龅靥匦赃M(jìn)行合成。5.3.2 阻尼器的計(jì)算參數(shù)阻尼器的位置及參

22、數(shù)設(shè)定是一個(gè)需要反復(fù)調(diào)整及迭代的過(guò)程。目前由于非線性阻尼器具有較高的耗能能力，應(yīng)用較多，但同時(shí)由于阻尼力的非線性也增加了計(jì)算的難度。一般來(lái)說(shuō)，非線性粘滯阻尼器的減震特點(diǎn)是：在阻尼系數(shù)一定時(shí)，如在0.1-1范圍內(nèi)隨指數(shù)增大，同樣阻尼力的情況下控制效果可能下降，耗能能力降低；當(dāng)阻尼指數(shù)一定時(shí)，隨阻尼系數(shù)的增大，阻尼力逐漸增大，控制效果逐漸增強(qiáng)，層間位移成減少趨勢(shì)， 當(dāng)然，輸出阻尼力大了阻尼器的費(fèi)用也就隨之增加。圖5-2 非線性阻尼元件圖示圖5-3 Sap2000非線性阻尼器在分析時(shí)只要將阻尼器的參數(shù)輸入相應(yīng)程序的“對(duì)象單元”中，就可以得到相應(yīng)的受力和地震反應(yīng)。在Sap2000中，對(duì)于阻尼器的模型采

23、用Maxwell模型，由非線性阻尼元件與彈簧串聯(lián)組成，如圖5-2所示。其非線性力-位移關(guān)系為： （5-17）單元總變形為彈簧變形與阻尼變形之和：（5-18）式中，F(xiàn)為單元非線性出力，k為彈簧剛度，c為阻尼系數(shù)，dk 為彈簧變形，為阻尼變形速率。阻尼指數(shù)必須為正值，使用的取值范圍為0.22.0間(當(dāng)小于0.2時(shí)，有可能引起計(jì)算結(jié)果不收斂)。Sap2000建議若期望純阻尼行為(如普通液體粘滯阻尼器），彈簧的效果可通過(guò)使其足夠剛性來(lái)忽略，彈簧剛度值可為其他桿件剛度的100倍10000倍，其剛度不易取值過(guò)大，以免引起數(shù)值問(wèn)題。圖5-3為Sap2000中進(jìn)行阻尼器單元設(shè)置的窗口，在設(shè)置窗口中分為線性工況

24、與非線性工況兩部分，分別用于線性時(shí)程分析和非線性時(shí)程分析兩類(lèi)計(jì)算工況。在非線性分析時(shí)則忽略阻尼器單元內(nèi)的線性部分，非線性振型疊加法可考慮非線性單元的設(shè)置，而非線性時(shí)程分析法可考慮Sap2000中的任何非線性因素，包括材料的非線性、幾何非線性以及非線性阻尼器這類(lèi)的非線性單元。5.3.3 計(jì)算方法描述時(shí)程分析所采用的方法有許多種，如線性加速度法、Newmark法、Wilson法、Runge-Kutta法及中心加速度法等。Newmark法和Wilson法由于計(jì)算精度高、誤差容易控制、計(jì)算效率較高，目前較為常用。通常情況下，附加阻尼元件的計(jì)算模型在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，如果還需要考慮材料彈塑性

25、，且模型計(jì)算單元及節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，則需要更多的計(jì)算時(shí)間及計(jì)算數(shù)據(jù)量。如果僅考慮非線性元件(阻尼器)的非線性，則更為快速和有效的方法是由美國(guó)教授Wilson提出的非線性模態(tài)分析法，這種方法雖然不能考慮主體結(jié)構(gòu)非線性，但是可以考慮阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的非線性特性，這種方法計(jì)算量很低，對(duì)于高層及大型結(jié)構(gòu)的減震效果計(jì)算分析是非常有效的。在美國(guó)，一般認(rèn)為，對(duì)于一般工程設(shè)計(jì)，這就足夠了。對(duì)于結(jié)構(gòu)阻尼比的設(shè)定可以采用常數(shù)阻尼比，即假定結(jié)構(gòu)全部振型的阻尼比相同，常數(shù)阻尼不能考慮阻尼隨頻率和振型的變化；更為有效的方法是采用Rayleigh阻尼，需要指定兩個(gè)卓越周期或頻率所對(duì)應(yīng)的阻尼比值，通?？梢赃x定兩個(gè)振型參與系數(shù)相對(duì)

26、較大的周期或頻率作為參考。當(dāng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，應(yīng)確保所計(jì)算的振型數(shù)的累積有效質(zhì)量率大于95，還應(yīng)保證頻率范圍足夠覆蓋加速度反應(yīng)譜的主要范圍。5.3.4消能結(jié)構(gòu)的后處理及分析比較通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的后處理可以有效評(píng)價(jià)消能減振結(jié)構(gòu)的減振效果，在后處理的過(guò)程中應(yīng)分別提取結(jié)構(gòu)在設(shè)置阻尼器前及設(shè)置后的反應(yīng)信息，并進(jìn)行如下幾個(gè)方面的比較：l 層間位移的比較（Story Drifts），對(duì)于混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，這項(xiàng)指標(biāo)非常重要，它往往代表結(jié)構(gòu)所具有的變形能力；l 樓層加速度的比較（Floor Accelerations），一方面反應(yīng)了結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下舒適度情況，另一方面則表明通過(guò)設(shè)置阻尼器可以降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震

27、作用下的受力；l 基底剪力在控制前后的比較（Base Shear），對(duì)于一些基底剪力不足的結(jié)構(gòu)加固工程，這經(jīng)常是一項(xiàng)控制指標(biāo)，代表著結(jié)構(gòu)柱受到剪力的削弱情況；l 頂點(diǎn)位移的比較（Roof Displacement），某些規(guī)范的控制指標(biāo)。一方面可以通過(guò)數(shù)字列表的方式進(jìn)行對(duì)比，也可采用圖形的方式進(jìn)行效果分析（如下圖所示）。圖5-4 時(shí)程曲線對(duì)比(位移)需要補(bǔ)充的是，規(guī)范要求各地震輸入的時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果應(yīng)與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，其誤差要控制在一定的范圍之內(nèi)。如抗震規(guī)范要求采用彈性時(shí)程分析時(shí)每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的

28、平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。最后，需要訂貨采購(gòu)的阻尼器應(yīng)列出下表中的各個(gè)參數(shù)。這些都是生產(chǎn)阻尼器時(shí)所必須知道的。表5-6 定貨阻尼器的主要參數(shù)1最大阻尼力(KN)2最小安全系數(shù)3從活塞位于中點(diǎn)計(jì)算,最小可以運(yùn)動(dòng)位移（最大沖程）(mm)4阻尼系數(shù) C (kN/(m/s)5阻尼的速度指數(shù) 6使用溫度7最大風(fēng)能輸入（如果要求）8最大的阻尼器尺寸 （如果空間有限）9阻尼器的安置示意圖 （如果已有）5.4 抗風(fēng)用阻尼器的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行抗風(fēng)計(jì)算，特別是高層結(jié)構(gòu)和形體特殊的大跨結(jié)構(gòu)等。一般說(shuō)來(lái)抗風(fēng)計(jì)算按照高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)程用等效靜力法進(jìn)行分析。對(duì)于有特殊要求的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)風(fēng)振曲線的時(shí)程積分計(jì)算。風(fēng)振曲線的獲得要結(jié)合場(chǎng)地風(fēng)的特性，可以由作風(fēng)洞試驗(yàn)的單位提供，也可以人工合成人工風(fēng)振曲線。6.阻尼器的連接兩端餃接多數(shù)阻尼器的安置是這種形式。兩端用銷(xiāo)子和支架相連，連接處內(nèi)設(shè)球形轉(zhuǎn)