网架结构的粘滞阻尼器减震分析
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摘要
网架结构具有刚度大、自重轻、造型丰富美观、综合技术指标好等特点,是大跨度空间结构的主要结构形式之一。近年来,国内外学者对结构减震进行了较系统的研究并已应用于多高层结构,但将减震技术用于大跨网架结构研究较少,属于起步研究阶段。本文对大跨空间网架结构采用消能减震方法进行了研究,其中包括结构的消能减震计算模型和计算方法、模态分析、动力响应分析、阻尼器设置方案、阻尼器阻尼系数优化等。
     利用粘滞流体阻尼器对空间网架结构进行减震控制,粘滞阻尼器的工作性态为非线性性质,而常规结构部分则在弹性阶段工作。因而,对带粘滞阻尼器的空间网架进行动力分析属于局部非线性问题。本文在算法上采用适用于局部非线性问题的“快速非线性分析(FNA)”方法求解,此方法有较高的计算效率和精度。
     采用同时考虑下部支承结构和上部网架结构的整体协同工作模型,这更符合空间网架结构的实际工作状况。利用SAP2000有限元软件对结构进行建模,计算模型中网架部分采用空间杆系模型,下部支承结构采用空间梁柱模型,增加的阻尼器作为单独的阻尼单元计算。对常规结构部分进行模态分析,分析表明:网架结构动力特性复杂,自振振型大多以上部结构的竖向对称或反对称的振动和整体结构水平向振动为主,虽然在前十阶振型中出现了扭转振动,但由于阶数较大,对结构影响相对较小。
     文中采用粘滞流体阻尼器作为附加消能杆件,分析比较了五种不同的阻尼器布置形式。通过分析计算给出了较优的阻尼器布置方式,得到了阻尼器应设置在阻尼器两端有较大相对位移和速度的位置的结论,这样能使阻尼器获得较大阻尼力,起到较大的耗能作用。
     文中还就阻尼器的阻尼系数和阻尼器布置数量对结构减震效果的影响,以及不同频率特征地震波下结构的减震效果进行了分析,得到了有效减震的阻尼系数取值范围和较经济合理的阻尼器布置数量,这可以为工程设计人员提供很好的参考。不同的地震波激励,结构的响应可能相差较大,为了得到较准确的结果,需要采用多条地震波进行计算取其平均值。
Space truss structure has characteristics of great rigidity, light dead weight, magnificent structure, and good synthetic technology index. It is one of the main large span structural styles. In recent years scholars at home and abroad made systematic research on structure vibration control which has been applied for tall buildings or high-rise buildings. However study on vibration control method applying for long-span space truss structures is few. In this paper research is applied to vibration energy dissipation method using for long-span space truss with respect to vibration energy dissipation calculation model and method, modal analysis, structure dynamic property, arranging energy dissipation mechanism, damping coefficient optimization and .
     Space truss structure uses viscous fluid dampers to reduce earthquake response. Working behavior of viscous dampers is nonlinear characteristic, but normal structures are in elastic stage, so dynamic analysis for space truss structure with viscous damper is partial nonlinear problem. The paper uses Fast Nonlinear Analysis to solve problems which is suitable for local nonlinear problems. The method is mentioned above is more effective and pricise.
     A study on the model of the interaction of space truss with supporing substructure is carried out by finite element software SAP2000. This model accords with actual working conditions of space struss structure. Three-dimensional finie element method is used as the calculating model for space truss. The space beam-column method is used as the calculating model for suppoting substructure. A damping unit is used as the calculating model for the additional damper. The modal analysis of normal structure indicates that the dynamic characteristic of space truss structure is complex, and the vibration mode of the model is mainly vertical and horizontal. The effect of restoration is little.
     By considering five different setting manners of viscous dampers, analysis of damping effect is carried out in the paper. The results indicate that the damper should be set at the place with the larger relative displacement and velocity. In this condition, the damper can get bigger damping force, and play a larger role in energy dissipation.
     By considering different damping coefficient and number of viscous damper and different seismic wave, analysis of damping effect is carried out in the paper too. The result indicates that the damping coefficient and number of damper have optimal values. That offers a good reference for engineering designers. The structures' responses maybe have larger difference under different seismic waves. In order to get more accurate results, using many seismic waves to calculate and taking their average are necessary.
引文
[1]彭刚,张国栋.土木工程结构振动控制[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002.
    [2]蓝天,张毅刚.大跨度屋盖结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
    [3]J.T.P.Yao.Concept of structure control[J].Journal of Structure Division,1972,98(7):1567-1574.
    [4]T.T.Soong,G.F.Dargush.Passive energy dissipation system in structural engineering[M].State university of New York at Buffalo,1997.
    [5]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社,1997:9-12.
    [6]阎维明.房屋建筑减震控制理论和试验研究[R].中国地震局工程力学研究所博士后研究工作报告.1998.
    [7]Makris N,Constantinou M.C..Fractional-derivative Maxwell model for viscous dampers[J].J struct Eng,ASCE,1991,117(9):2708-2724.
    [8]Douglas P.Taylor,Michael C.Constantinou.Fluid Dampers for Applications of Seismic Enerny Dissipation and Seismic Isolations[EB/OL].http://www.taylordevices.com/tayd.
    [9]欧进萍,丁建华.油缸间隙式阻尼器理论与试验研究[J].地震工程与工程振动,1999,19(4):82-89.
    [10]叶正强,李爱群,程文壤,等.采用粘滞流体阻尼器的一程结构减振设计研究[J].建筑结构学报,2001,22(4):61-66.
    [11]叶正强,李爱群,徐幼麟.工程结构粘滞流体阻尼器减振新技术及其应用[J].东南大学学报,2002,32(3):466-473.
    [12]杨国华,李爱群,程文壤,等.工程结构粘滞流体阻尼器的减振机制与控振分析[J].东南大学学报,2001,31(1):57-61.
    [13]杨国华,李爱群,程文攘.结构控震设计中流体阻尼器的指数选择与控制系统设计[J].工业建筑,2003,33(6):3-6.
    [14]翁大根,卢著辉,徐斌,等.粘滞阻尼器力学性能试验研究[J].世界地震工程,2002,18(4):30-34.
    [15]欧进萍,吴斌,龙旭,等.北京饭店消能减振抗震加固分析与设计时程分析法[J].地震工程与工程振动,2001,21(4):82-87.
    [16]宋智斌.粘滞消能减震技术在结构抗震加固中的研究与应用:[硕士学位论文][D].北京:中国建筑科学研究院,2001.
    [17]陈道政,李爱群,张志强,等.西安某科研楼顶钢结构塔楼减震控制研究[J].建筑科学,2004,20(3):18-28.
    [18]张志强,李爱群,何建平,等.地震作用下合肥电视塔粘滞流体阻尼器减震的优化参数分析[J].工程抗震,2004,(2):39-45.
    [19]阎维明,周福霖,谭平.土木工程结构振动控制的研究进展[J].世界地震工程.1997,13(2):8-20.
    [20]A.M.Reihorln,G.D.ManaliS.结构控制的最新进展[J].世界地震工程,1990(3).
    [21]周晓峰,陈福江,董石麟.粘弹性阻尼材料支座在网壳结构减震控制中性能研究[J].空间结构,2000,6(4):21-28.
    [22]高博青,董石麟.折板式网壳结构的抗震及减震研究[J].浙江大学学报(理学版),2002,29(5):589-594.
    [23]范峰,沈世钊.网壳结构的粘弹阻尼器减振分析[J].地震工程与工程振动,2003,23(3):156-159.
    [24]范峰,沈世钊.网壳结构的粘滞阻尼减振分析与试验研究[J].地震工程与工程振动,2000,20(1):105-111.
    [25]凌和海.粘弹性阻尼器在网架结构减振控制中的参数优化研究:[硕士学位论文][D].北京:北京工业大学,2005:55-68.
    [26]梁海彤,张毅刚,吴金志.采用阻尼杆件的双层柱面网壳减震控制研究[A].第十届空间结构学术会议论文集[C].2002,211-218.
    [27]梁海彤,吴金志,张毅刚.替换阻尼杆件的双层柱面网壳被动控制振动台试验研究[J].地震工程与工程振动,2003,23(4):178-182.
    [28]张毅刚,梁海彤.替换可控杆件的双层柱面网壳半主动控制策略[J].北京工业大学学报[J],2003,29(3):320-324.
    [29]倪莉,张毅刚.可控制杆件在双层柱面网壳结构中的最优布置[J].世界地震工程,2001,17(3):98-104.
    [30]吴春秋,朱以文.大跨度结构TMD减震系统多点激励的地震随机响应分析[J].地震工程与工程振动,2003,23(4):131-135.
    [31]叶继红,陈月明,沈世钊.TMD系统在单层球壳振动控制中的参数分析[J].空间结构,1999,5(2):10-17.
    [32]叶继红,陈月明,沈世钊.TMD系统在单层柱壳振动控制中的参数分析[J].工业建筑,2000,30(4):9-13.
    [33]叶继红,陈月明,沈世钊.TMD系统在单层柱壳振动控制中的适用性分析[J].工程抗震,2000,(3):12-16.
    [34]叶继红,陈月明,沈世钊.网壳结构TMD减震系统的优化设计[J].振动工程学报,2000,13(3):376-384.
    [35]叶继红,陈月明,沈世钊.TMD减震系统在网壳结构中的应用[J].哈尔滨建筑大学学报,2000,33(5):10-14.
    [36]胡继军,黄金枝,李春祥,等.网壳-TMD风振控制分析[J].建筑结构学报,2001,22(3):31-35.
    [37]瞿伟廉,徐幼麟.ER/MR智能阻尼器对空间网壳结构地震反应的半主动控制[J].地震工程与工程振动,2001,21(4):24-31.
    [38]M.Miyazaki,Y.Mitsusaka.Design of a Building with 20%or Greater Damping.Proceeding of The 10th World Conference on Earthquake Engineering,Madrid,Spain,19-24,July,1992,(7):4143-4148.
    [39]M.C.Constantinou.Principle of Friction,Viscoelastic,Yielding Steel and Fluid Viscous Dampers:Properties and Design,Passive and Active Structural Vibration Control in Civil Engineering, 1994,209-240.
    [40]Dougas P.Taylor,M.C.Constantinou.Fluid Dampers for Application of Seismic Energy Dissipation and Seismic Isolation,Taylor Devices Inc.
    [41]徐德修,李永峰.结构液流阻尼器之设计及应用[J].结构工程,民国87,13(2):31-41.
    [42]欧进萍.设置粘滞耗能器的JZ20-2MUQ平台结构冰振控制[R].海洋平台结构冰致振动机理及研究(国家自然科学基金项目专题年度研究报告),1999,10-19.
    [43]欧进萍.油缸间隙式粘滞耗能器理论与性能研究[R].海洋平台结构冰致振动机理及研究(国家自然科学基金项目专题年度研究报告),1999,41-51.
    [44]孙春燕.粘滞阻尼器在结构抗震设计中的应用:[硕士学位论文][D].北京:北京工业大学.2004.
    [45]周强,吕西林.带有摩擦耗能元件的框架结构动力分析[J].力学季刊,2000,21(3):304-310.
    [46]Edward L Wilson.Three-Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structure Computers and Structures,Inc.Berkeley,California,USA.2002.
    [47]周灵源.钢筋混凝土框架加固结构中粘弹性消能支撑的刚度效应分析:[硕士学位论文][D].成都:西南交通大学,2001.
    [48]E.L.Wilson,M.Yuan,J.Dickens.Dynamic Analysis by Direct Superposition of Ritz Vectors[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1982,10(6):813-823.
    [49]H.C.Chen,R.L.Taylor.Solution of Viscously Damped Linear Systems Using a Set of Load-dependent Vectors[J].Eathquake eng.Struct.dyn.1990,19(5):653-665.
    [50]曹资,张超,张毅刚,等网壳屋盖与下部支承结构动力相互作用研究[J].空间结构,2001,7(2):19-26.
    [51]高芳清,金建明,高淑英.基于模态分析的结构损伤检测方法研究[J].西南交通大学学报,1998,33(1):108-113.
    [52]陈孝珍,张铟.基于结构动力响应的结构损伤识别[J].科学技术与工程,2004,4(3):176-180.
    [53]唐小兵,沈成武,陈定方.结构损伤识别的柔度曲率法[J].武汉理工大学学报,2001,23(8):18-20.
    [54]周坚.基于振型数据的框架结构损伤评估[J].昆明理工大学学报,2000,25(4):83-87.
    [55]曹资,薛素铎.空间结构抗震理论与设计[M].北京:科学出版社,2005.3.
    [56]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2001),北京:中国建筑工业出版社,2001.
    [57]《网架结构设计与施工规程》(JGJ-91).北京:中国建筑工业出版社,1994.
    [58]郑久建.粘滞阻尼减震结构分析方法及设计理论研究:[博士学位论文][D].北京:中国建筑科学研究院,2003.
    [59]汤昱川,张玉良,张铜生.粘滞阻尼器减震结构的非线性动力分析[J].工程力学,2004,21(1):67-71.
    [60]薛彦涛,李树利,李博.液体粘滞阻尼消能减震结构设计方法[J].建筑科学,2003,19(3):19-21.
    [61]薛彦涛,韩雪.设置非线性粘滞阻尼器结构地震响应的时程分析[J].工程抗震与加固改造,2005,27(2):40-45.
    [62]薛素铎,周乾,董军辉,等.振动控制在空间结构中的应用[A].第十届空间结构学术会议论文 集[C].北京:中国建材工业出版社,2002,561-567.
    [63]朱礼敏.大跨空间结构采用粘滞阻尼器的减震分析和优化设计:[博士学位论文][D].北京:中国建筑科学研究院,2007.
    [64]李正英,李正良,王之松,等.粘滞阻尼器拱桥结构减震控制研究[J].振动与冲击,2007,26(1):56-60.
    [65]薛素铎,凌和海.粘弹性阻尼器在网架结构减震控制中的优化设置[J].建筑结构学报,2007,28(4):51-57.
    [66]梁海彤.双层柱面网壳减震控制理论和振动台试验研究:[硕士学位论文][D].北京:北京工业大学,2003.
    [67]龚思礼.建筑抗震设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
    [68]杜东升,李爱群,徐赵东,等.多点输入下大跨度空间结构的消能减震分析[J].特种结构,2005:22(2),33-35.
    [69]欧进萍,吴斌,龙旭.结构被动耗能减振效果的参数影响[J].地震工程与工程振动,1998,18(1):60-70.
    [70]韩雪,史有涛,薛彦涛.消能减震技术在大型体育场馆中应用的研究[J].工程抗震与加固改造,2006:28(6),57-60.
    [71]王利.一种复合摩擦阻尼器的性能及在空间网格结构中的减振控制研究:[硕士学位论文][D].北京:北京工业大学,2005.
    [72]蒋通,贺磊.非线性粘滞阻尼器消能结构减振效果分析[J].世界地震工程,2005,21(2):57-63.
    [73]蒋通,贺磊.非线性粘滞阻尼器消能结构设计方法探讨[J].世界地震工程,2007,23(1),134-140.
    [74]孙卓.粘滞阻尼参数对悬索桥抗震性能影响研究[J].广州大学学报(自然科学版),2006,5(5):85-90.
    [75]Zhiang R.H.,Soong T.T..Seismic Design of Viscoelastic Dampers for Structural Applications[J].Journal of Engineering,ASCE.1992,118(5):1375-1392.
    [76]M.L.Lai,K.C.Chang,T.T.Soong,et al.Full-scale viscoelastically damped steel frame[J].Journal of Structural Engineering,1995,121(10):1443-1447.
    [77]Kawashima K.Seismic response control of bridges by variable dampers[J].Journal of Structural Engineering,1994,120(9):2583-2601.
    [78]D.Lopez Garcia.A simple method for the design of optimal damper configurations in MDOF structures[J].Earthquake Spectra,2001,17(3):387-398.
    [79]D.Lopez Garcia,T.T.Soong.Efficiency of a simple approach to damper allocation in MDOF structures[J].Journal of Structural Control,2002,28(9):19-30.
    [80]Mahendra P.Singh,Luis M.Moreschi.Optimal placement of dampers for passive response control[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2002,31(3):955-976.
    [81]Y.H.Zhou,H.S.Tzou.Active control of nonlinear piezoelectric circular shallow spherical shells[J].International Journal of Solids and Structures,2000,37(12):1663-1677.
    [82]徐庆阳,李爱群,沈顺高.大跨空间网架结构采用消能减震技术的研究[J].工业建筑,2007, 37(7):85-88.
    [83]倪军,胥传喜.空间网架结构的振动控制研究[J].世界地震工程,1998,14(3):49-53.
    [84]徐赵东,赵鸿铁,郭迎庆,等.粘弹性阻尼结构的现代控制理论分析[J].西安建筑科技大学学报,2000,32(2),22-29.
    [85]徐赵东,李爱群,叶继红.大跨空间网壳结构减震控制的研究与发展[J].振动与冲击,2005:24(3),59-61.
    [86]徐赵东,周云,周福霖.粘弹性阻尼器三种计算模型的对比与分析[J].华南建设学院西院学报,1999,7(2):1-7.
    [87]焦常科,含非线性粘滞阻尼器结构的动力分析:[硕士学位论文][D].南京:南京理工大学,2006.
    [88]赵仁芳,常建华.液体粘滞阻尼消能减震技术的探讨[J].有色金属设计,2006,33(4):37-41.
    [89]魏锦涛.液体粘滞流体阻尼器及其在土木工程中的应用[J].四川建筑科学研究,2006,32(2):124-135.
    [90]张东昱.双层柱面网壳主动控制及其优化研究:[硕士学位论文][D].北京:北京工业大学,2001.
    [91]徐光辉.网壳屋盖与下部支承结构组合体系静、动力性能研究:[硕士学位论文][D].南京:东南大学,2005.
    [92]Gokhan Pekcar,John B.M Ander,Stuart S.Chen.Fundamental Considerations for The Design of Non-linear Viscous Dampers Earthquake Engine[J].Struct Dvn.1999,28:1405-1414.
    [93]D.P.Taytor.Fluid Damper for Application of Seismic Energy and Seismic Isolation[A].Proc.11th World Conference on Earthquake Engineering[C].Elsevier Science Ltd,Mexico,1996
    [94]张思海.被动耗能减震结构基于性能的抗震设计方法:[硕士学位论文][D].西安:西安建筑科技大学,2005.
    [95]王俊永.粘弹与粘滞阻尼器在建筑减震中的性能分析与比较:[硕士学位论文][D].南京:南京理工大学,2002.
    [96]刘锡良,董石麟.20年来中国空间结构形式创新[A].第十届空间结构学术会议论文集[C].中国建材工业出版社,2002,12.
    [97]郭继武.建筑抗震设计[M].北京:高等教育出版社,1990.
    [98]张玉良,汤昱川,张铜生.设置速度相关型阻尼器减震结构非线性时程分析[J].建筑结构,2004,34(3):66-70.
    [99]魏琏,郑久建,韦承基,等.论粘滞阻尼减震结构及其抗震设计方法[J].建筑结构,2004,34(10):22-29.
    [100]吴波,李惠,陶全兴,等.安装粘滞阻尼器结构的抗震设计方法[J].地震工程与工程振动,2000,20(4):87-93.
    [101]王曙光,刘伟庆.消能支撑框架结构的非线性分析[J].地震工程与工程振动,2001,21(3):40-45.
    [102]沈世钊.大跨空间结构若干理论问题研究[J].苏州城建环保学院学报,2000,13(3):1-8.
    [103]于建华,谢用九,魏泳涛.高等结构动力学[M].成都:四川大学出版社,2001.

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