安装粘弹性阻尼减振装置的高层建筑抗震研究
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摘要
工程结构振动控制是目前工程抗震技术中的热点问题之一，本文探讨的粘弹性阻尼器及其在高层建筑结构控制中的应用，属于消能减震技术的应用研究。采用粘弹性材料制成的粘弹性阻尼器是一种典型的被动控制装置，它通过增加结构的阻尼、耗散结构的振动能量来达到减小结构地震响应的目的。由于其装置简单、材料经济，在实际结构振动控制中具有广泛的应用前景。
本文结合现行建筑抗震设计规范和目前国内外此方面的研究成果，进一步分析粘弹性材料和粘弹性阻尼器的力学性能，对安装粘弹性阻尼器的消能减震结构体系的设计方法进行了分析和探讨，对消能减震结构的能量设计方法进行了系统总结。
本文采用目前通用的大型有限元分析软件ANSYS，以一幢24层钢结构高层建筑为研究对象，建立了框架结构、框架．支撑结构和安装粘弹性阻尼器的消能减震结构三种不同的结构方案的三维空间模型，分析了三种结构方案的自振特性，并分别对三种结构由地面输入EL-centro地震波，进行了多遇地震作用下弹性时程反应分析和罕遇地震作用下的结构弹塑性时程反应分析，并对抗震效果进行了分析比较，最终得出结论。
分析表明，粘弹性阻尼器不仅可以在多遇地震下有效工作，在突发的罕遇地震作用下，也能够很好的发挥耗能减震作用。由于结构中安装了粘弹性阻尼减振器，使结构的抗震性能明显改善，并且，大幅度提高了结构的安全储备。对于高层建筑，在结构中适当的增加粘弹性阻尼装置，不会对结构整体的动力特性产生较大的负面影响，而且显著提高了建筑物的抗震性能，改善了建筑的可居住性，使建筑物的使用功能范围扩大。
由于安装粘弹性阻尼器的消能减震结构的某些特殊性以及目前研究还不完善，进行优化设计十分必要，本文将对优化设计的内容和方法进行初步探讨。
The construction vibration control is one of the hot problems within the seismic fortification techniques now. The viscoelastic damper and the application of viscoelastic damper in the high-rise building discussed in this paper, are part of the study about the application of the dissipate energy and reduce seismic responses techniques. The viscoelastic damper that made of viscoelastic material is a kind of representative passivity control devices. It reduces the seismic response of structure by adding the damping and dissipating the vibration energy of the structure. Because mis device is simply and the components are cheap, the viscoelastic damper has a broad application foreground.
In this paper, I consulted the Code for seismic design of buildings and the domestic and overseas present research results in this field, analyzed the mechanics performance of viscoelastic material and viscoelastic damper, discussed the design method of the dissipate energy and reduce seismic responses structure system, generally summarized the energy design method of the dissipate energy and reduce seismic responses structure.
In this paper, the research object is based on a 24-layer steel high-rise building. Three structure systems such as frame, frame-support and the dissipate energy and reduce seismic responses structure installed with viscoelastic damper are used to build up as three-dimensinal modals. A finite element mathod ANSYS program is used to analyze the modals' intrinsic vibration characteristics. ANSYS program is also used to analyze the elastic dynamic time history analysis of EL-centro seismic wave at usual level and elastic-plastic dynamic time history analysis at unusual level. The results are obtained after analysis and comparation.
The research results illustrate mat the viscoelastic damper is not only can work effectively under usual level seismic but also can do under unusual level seismic. The structure's seismic fortification ability is markedly improved and the structure is more safty due to the viscoelastic dampers fixed in it. The structure fixed with feasible viscoelastic dampers, it's intrinsic vibration characteristics will not change markedly and it's seismic fortification ability improved markedly, and the building will be more suitable for inhabitancy. The viscoelastic dampers fixed in building extend the range of building' usage.
Because the structure fixed with viscoelastic dampers has some particularity, and the study about this field is not so consummate, it is necessary to perform the optimize design. In this paper, the optimize design method is also simply discussed.
本文结合现行建筑抗震设计规范和目前国内外此方面的研究成果，进一步分析粘弹性材料和粘弹性阻尼器的力学性能，对安装粘弹性阻尼器的消能减震结构体系的设计方法进行了分析和探讨，对消能减震结构的能量设计方法进行了系统总结。
本文采用目前通用的大型有限元分析软件ANSYS，以一幢24层钢结构高层建筑为研究对象，建立了框架结构、框架．支撑结构和安装粘弹性阻尼器的消能减震结构三种不同的结构方案的三维空间模型，分析了三种结构方案的自振特性，并分别对三种结构由地面输入EL-centro地震波，进行了多遇地震作用下弹性时程反应分析和罕遇地震作用下的结构弹塑性时程反应分析，并对抗震效果进行了分析比较，最终得出结论。
分析表明，粘弹性阻尼器不仅可以在多遇地震下有效工作，在突发的罕遇地震作用下，也能够很好的发挥耗能减震作用。由于结构中安装了粘弹性阻尼减振器，使结构的抗震性能明显改善，并且，大幅度提高了结构的安全储备。对于高层建筑，在结构中适当的增加粘弹性阻尼装置，不会对结构整体的动力特性产生较大的负面影响，而且显著提高了建筑物的抗震性能，改善了建筑的可居住性，使建筑物的使用功能范围扩大。
由于安装粘弹性阻尼器的消能减震结构的某些特殊性以及目前研究还不完善，进行优化设计十分必要，本文将对优化设计的内容和方法进行初步探讨。
The construction vibration control is one of the hot problems within the seismic fortification techniques now. The viscoelastic damper and the application of viscoelastic damper in the high-rise building discussed in this paper, are part of the study about the application of the dissipate energy and reduce seismic responses techniques. The viscoelastic damper that made of viscoelastic material is a kind of representative passivity control devices. It reduces the seismic response of structure by adding the damping and dissipating the vibration energy of the structure. Because mis device is simply and the components are cheap, the viscoelastic damper has a broad application foreground.
In this paper, I consulted the Code for seismic design of buildings and the domestic and overseas present research results in this field, analyzed the mechanics performance of viscoelastic material and viscoelastic damper, discussed the design method of the dissipate energy and reduce seismic responses structure system, generally summarized the energy design method of the dissipate energy and reduce seismic responses structure.
In this paper, the research object is based on a 24-layer steel high-rise building. Three structure systems such as frame, frame-support and the dissipate energy and reduce seismic responses structure installed with viscoelastic damper are used to build up as three-dimensinal modals. A finite element mathod ANSYS program is used to analyze the modals' intrinsic vibration characteristics. ANSYS program is also used to analyze the elastic dynamic time history analysis of EL-centro seismic wave at usual level and elastic-plastic dynamic time history analysis at unusual level. The results are obtained after analysis and comparation.
The research results illustrate mat the viscoelastic damper is not only can work effectively under usual level seismic but also can do under unusual level seismic. The structure's seismic fortification ability is markedly improved and the structure is more safty due to the viscoelastic dampers fixed in it. The structure fixed with feasible viscoelastic dampers, it's intrinsic vibration characteristics will not change markedly and it's seismic fortification ability improved markedly, and the building will be more suitable for inhabitancy. The viscoelastic dampers fixed in building extend the range of building' usage.
Because the structure fixed with viscoelastic dampers has some particularity, and the study about this field is not so consummate, it is necessary to perform the optimize design. In this paper, the optimize design method is also simply discussed.
引文
1 中华人民共和国建设部，国家质量监督检验检疫总局．建筑抗震设计规范 (GB50011—2001)．中国建筑工业出版社，2001
2 李创第，邹万杰，李暾，陈俊忠．结构随机地震响应分析的复模态法．地震工程与工程振动．2003，第6期
3 窦立军，杨柏坡，雷艳．确定结构基底等效输入地震动的简化方法．地震工程与工程振动．2003，第6期
4 胡卫兵，何建．高层建筑与高耸结构抗风计算及风振控制．中国建材工业出版社，2003
5 张利，张希黔，郝亮．钢结构建筑的发展与展望．建筑技术开发．2003，第1期
6 张运田，郁银泉．钢结构住宅建筑体系研究进展．钢结构，2002，第17卷第6期
7 刘坚，李开禧，黄襄云．柔性连接多高层钢框架结构的基本自振周期近似计算方法．钢结构．2002，第17卷第6期
8 许清风，王孔藩，李向民，张晋．世界贸易中心倒塌原因浅析．钢结构．2002，第3期第17卷
9 卢小松．多层钢结构框架整体稳定性的设计理论．钢结构．2002，第4期第17卷
10 刘开国．火作用下钢框架结构的分析．钢结构．2002，第17卷第4期
11 武田寿一．建筑物隔震、防振与控振．纪晓惠，陈良，鄢宁译．中国建筑工业出版社，1997
12 张荣山．工程振动与控制．中国建筑工业出版社，2003
13 彭刚，张国栋．土木工程结构振动控制．武汉理工大学出版社，2002
14 周锡元，吴育才．工程抗震的新发展．清华大学出版社，暨南大学出版社，2002
15 邢书涛，郭迅．一种新型软钢阻尼器力学性能和减震效果的研究．地震工程与工程振动．2003，第6期
16 Andrew S. Whittaker et al.. Seismic Testing of Steel Plate Energy
Dissipation Devices. Earthquake Spectra. 1991 , Vol. 7, No. 4
17 黄宗明，白绍良，赖明．结构地震反应时程分析中的阻尼问题评述，地震工程与工程振动．1996，16卷2期
18 吴泽厚，周福霖．消能减震建筑结构的计算分析．重庆建筑大学学报．2004，第24卷2期
19 龚思礼主编．建筑抗震设计手册．中国建筑工业出版社，1994
20 叶先磊，史亚杰．ANSYS工程分析软件应用实例．清华大学出版社，2003
21 杨强．建筑隔震与消能减震设计方法．建筑技术开发．2004，第31卷第1期
22 江宜城，钟寅亥，樊剑，李黎．粘弹性阻尼器控制下大跨度输电塔风振响应分析．钢结构．2003，第18卷第4期
23 刘大海，杨翠如．高楼钢结构设计．中国建筑工业出版社，2003
24 资料编委会．世界建筑结构设计精品选．中国篇．中国建筑工业出版社，2001
25 陈以一主编．世界建筑结构设计精品选-日本篇．中国建筑工业出版社，2001
26 ANSYS Release 8.0 Documentation. EIGHTH EDITION, ANSYS. Inc.
27 ANSYS THEORY REFERANCE, 00855, EIGHTH EDITION, ANSYS.Inc.
28 Li S Z, et ai. Earthquake damage prediction for high-rise building. World Information on Earthquake Engineering, 1995(3)
29 O.C. Zienkiewicz, The Finite Element Method. third edition. McGraw-Hill, 1977
30 K.J.Bathe. Finite Element Procedures in Engineering Analysis. Prentice-hall, 1982
31 Anagnostopoulos S A. Response spectrum Techniques for three-Component Earthquake Design. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1981
32 于建华，谢用九，魏永涛．高等结构动力学．四川大学出版社．2001
33 郭继武．建筑抗震设计．中国建筑工业出版社．2002
34 朱伯芳．有限单元法原理与应用．第二版．中国水利水电出版社，1998
35 丁丽娟．数值计算方法．北京理工大学出版社，1997
36 秦荣．计算结构力学．科学出版社，2001
37 陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．中国铁道出版
社，2001
38 张允真．简明有限元法．辽宁科学技术出版社，1983
39 张汝清，詹先义．非线性有限元分析．重庆大学出版社，1990
40 周福霖．工程结构减震控制．地震出版社，1997
41 李杰，李国强．地震工程学导论．地震出版社，1992
42 沈聚敏，周锡元，高小旺，刘晶波等．抗震工程学．中国建筑工业出版社，2000
42 吕西林等．房屋结构抗震设计理论与实例．同济大学出版社，1995
43 王亚勇．关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨．建筑结构学报．2000，第1期
43 丁文镜．减震理论．清华大学出版社，1988
44 段荫龙，陈学源．震动分析的有限元法．地震出版社，1985
45 王松涛．现代抗震设计方法．中国建筑工业出版社，1997
46 周云，刘李，周褐森．抗震与减震结构的能量分析方法研究与应用．地震工程与工程振动．1999，第4期
47 李廉锟．结构力学(上、下册)．第三版．高等教育出版社，1996
48 胡人礼．桥梁力学．中国铁道出版社，1999
50 唐兴荣．高层建筑转换层结构设计与施工．中国建筑工业出版社．2002
51 蓝宗建．混凝土结构设计原理．东南大学出版社．2002
52 顾祥林，孙飞飞．混凝土结构的计算机仿真．同济大学出版社．2002
2 李创第，邹万杰，李暾，陈俊忠．结构随机地震响应分析的复模态法．地震工程与工程振动．2003，第6期
3 窦立军，杨柏坡，雷艳．确定结构基底等效输入地震动的简化方法．地震工程与工程振动．2003，第6期
4 胡卫兵，何建．高层建筑与高耸结构抗风计算及风振控制．中国建材工业出版社，2003
5 张利，张希黔，郝亮．钢结构建筑的发展与展望．建筑技术开发．2003，第1期
6 张运田，郁银泉．钢结构住宅建筑体系研究进展．钢结构，2002，第17卷第6期
7 刘坚，李开禧，黄襄云．柔性连接多高层钢框架结构的基本自振周期近似计算方法．钢结构．2002，第17卷第6期
8 许清风，王孔藩，李向民，张晋．世界贸易中心倒塌原因浅析．钢结构．2002，第3期第17卷
9 卢小松．多层钢结构框架整体稳定性的设计理论．钢结构．2002，第4期第17卷
10 刘开国．火作用下钢框架结构的分析．钢结构．2002，第17卷第4期
11 武田寿一．建筑物隔震、防振与控振．纪晓惠，陈良，鄢宁译．中国建筑工业出版社，1997
12 张荣山．工程振动与控制．中国建筑工业出版社，2003
13 彭刚，张国栋．土木工程结构振动控制．武汉理工大学出版社，2002
14 周锡元，吴育才．工程抗震的新发展．清华大学出版社，暨南大学出版社，2002
15 邢书涛，郭迅．一种新型软钢阻尼器力学性能和减震效果的研究．地震工程与工程振动．2003，第6期
16 Andrew S. Whittaker et al.. Seismic Testing of Steel Plate Energy
Dissipation Devices. Earthquake Spectra. 1991 , Vol. 7, No. 4
17 黄宗明，白绍良，赖明．结构地震反应时程分析中的阻尼问题评述，地震工程与工程振动．1996，16卷2期
18 吴泽厚，周福霖．消能减震建筑结构的计算分析．重庆建筑大学学报．2004，第24卷2期
19 龚思礼主编．建筑抗震设计手册．中国建筑工业出版社，1994
20 叶先磊，史亚杰．ANSYS工程分析软件应用实例．清华大学出版社，2003
21 杨强．建筑隔震与消能减震设计方法．建筑技术开发．2004，第31卷第1期
22 江宜城，钟寅亥，樊剑，李黎．粘弹性阻尼器控制下大跨度输电塔风振响应分析．钢结构．2003，第18卷第4期
23 刘大海，杨翠如．高楼钢结构设计．中国建筑工业出版社，2003
24 资料编委会．世界建筑结构设计精品选．中国篇．中国建筑工业出版社，2001
25 陈以一主编．世界建筑结构设计精品选-日本篇．中国建筑工业出版社，2001
26 ANSYS Release 8.0 Documentation. EIGHTH EDITION, ANSYS. Inc.
27 ANSYS THEORY REFERANCE, 00855, EIGHTH EDITION, ANSYS.Inc.
28 Li S Z, et ai. Earthquake damage prediction for high-rise building. World Information on Earthquake Engineering, 1995(3)
29 O.C. Zienkiewicz, The Finite Element Method. third edition. McGraw-Hill, 1977
30 K.J.Bathe. Finite Element Procedures in Engineering Analysis. Prentice-hall, 1982
31 Anagnostopoulos S A. Response spectrum Techniques for three-Component Earthquake Design. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1981
32 于建华，谢用九，魏永涛．高等结构动力学．四川大学出版社．2001
33 郭继武．建筑抗震设计．中国建筑工业出版社．2002
34 朱伯芳．有限单元法原理与应用．第二版．中国水利水电出版社，1998
35 丁丽娟．数值计算方法．北京理工大学出版社，1997
36 秦荣．计算结构力学．科学出版社，2001
37 陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．中国铁道出版
社，2001
38 张允真．简明有限元法．辽宁科学技术出版社，1983
39 张汝清，詹先义．非线性有限元分析．重庆大学出版社，1990
40 周福霖．工程结构减震控制．地震出版社，1997
41 李杰，李国强．地震工程学导论．地震出版社，1992
42 沈聚敏，周锡元，高小旺，刘晶波等．抗震工程学．中国建筑工业出版社，2000
42 吕西林等．房屋结构抗震设计理论与实例．同济大学出版社，1995
43 王亚勇．关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨．建筑结构学报．2000，第1期
43 丁文镜．减震理论．清华大学出版社，1988
44 段荫龙，陈学源．震动分析的有限元法．地震出版社，1985
45 王松涛．现代抗震设计方法．中国建筑工业出版社，1997
46 周云，刘李，周褐森．抗震与减震结构的能量分析方法研究与应用．地震工程与工程振动．1999，第4期
47 李廉锟．结构力学(上、下册)．第三版．高等教育出版社，1996
48 胡人礼．桥梁力学．中国铁道出版社，1999
50 唐兴荣．高层建筑转换层结构设计与施工．中国建筑工业出版社．2002
51 蓝宗建．混凝土结构设计原理．东南大学出版社．2002
52 顾祥林，孙飞飞．混凝土结构的计算机仿真．同济大学出版社．2002
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