钢框架结构软钢阻尼器振动控制的试

第25卷第2期 2004年4月 文章编号：l000-6869(2004)02-000l-07建筑结构学报JournaIofBuiIdingStructuresVoI.25,No.2ApriI,2004 钢框架结构软钢阻尼器振动控制的试验及理论研究 李玉顺l，大井谦一2，沈世钊l (l.哈尔滨工业大学土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，黑龙江哈尔滨l50090；日本东京)2.东京大学生产技术研究所， 摘要：本文通过试验研究和理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 探讨极低屈服点软钢阻尼器的减震效果。对建造在野外的三层钢框架结构输入该结构在历年地震观测中采集到的地震波记录进行了拟动力试验。本次拟动力试验选用了4条地震波记录，各分为有阻尼器和无阻尼器的两种情况共计进行了8次试验。试验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明软钢阻尼器具有明显的减震效果。并采用能够同时考虑应变硬化和刚度退化现象的SkeIetonShift模型模拟阻尼器的恢复力特性，对该结构进行了弹塑性地震反应分析。地震观测、拟动力试验以及计算机分析结果所表现出的各地震反应具有较好的一致性，说明拟动力试验技术应用于模拟结构的地震反应，可得到令人满意的结果。 关键词：拟动力试验；软钢阻尼器；极低屈服点钢材；地震观测 中图分类号：TU39lTU352.l文献标识码：A ExperimentaIandtheoreticaIstudyonvibrationcontroIofsteeIframe attachedwithhystereticdampers LIYushunl，KENICHIOhi2，SHENShizhaol (l.SchooIofCiviIEngineering,HarbinInstituteofTechnoIogy,Harbinl50090,China; 2.InstituteofIndustriaIScience,UniversityofTokyo,Tokyo,Japan) Abstract:AnexperimentaIandtheoreticaIstudyoftheearthguakemitigationeffectofhystereticdampersusinguItraIow-yieId-pointsteeIwaspresentedinthispaper.Themonitoringandpseudo-testswerebasedonascaIe3-storysteeIframethatwasconstructedonthereaIground.Pseudo-dynamictestsusingvariousearthguakeinputswererecordedbythesensorsetinthesite.Eighttestswithandwithouthystereticdampersusedfourearthguakerecords.Thecasestudiesofferedgreatinsightintothesignificanteffectofthehystereticdampers.TheineIasticearthguakeresponseanaIysiswasbasedonSkeIetonShiftmodeIwhichtookthestrainhardeningandstiffnessdegradationintoconsideration.Thecom-parisonofresponsehistoryresuItswithmonitoring,numericaIanaIysisandpseudo-dynamictestsagreeswitheachotherfairIyweII.ItisaIsodemonstratedthatthepseudo-dynamictesttechnigueprovidesasatisfactorysimuIationofreaIstructuraIresponsetoearthguakegroundmotion. Keywords:pseudo-dynamictest；hystereticdamper；uItra-Iow-yieId-pointsteeI；earthguakeobservation 的软钢阻尼器可避免或减小中震后的修复工作，并能 l引言 为了改善地震作用下结构的工作性能，近年来开显著降低大震作用下结构的损伤，越来越受到工程界的瞩目。本文的研究对象为用屈服点低于l00MPa的极低屈服点钢材制成的软钢阻尼器。极低屈服点钢材 的屈服应变仅为普通钢材的l/3，屈强比为普通钢材 的l/2.5，变形能力约为普通钢材的2倍，这对提高耗 能构件的工作性能非常有利。另外，阻尼器不直接参 与承受竖向荷载，在地震作用下阻尼器的屈服并不会 危及主体结构的破坏，当阻尼器受损较严重时，更换很 l发出了各种耗能阻尼器。其中用极低屈服点钢材制成（l968-作者简介：李玉顺教授。收稿日期：2003年l月）（朝鲜族），女，黑龙江五常人，副 表1 地震观测记录 Table1Summaryoftheearthguakerecords 震发时间震中位置震源深度1985年10月140 09'E35 52'N78km1986年06月140 43'E34 49'N73km1987年12月140 29'E35 22'N58km1996年09月 140 03'E35 07'N 55km 方便，因此可以说是一种很好的抗震措施。 过去对这种阻尼器结构抗震性能的试验研究，多是局限于在实验室进行振动台试验或子结构法拟动力试验。这种试验所采用的模型，其尺寸较小或只能取用结构的一部分，并且难以考虑土-结构相互作用问题，因此很难忠实地再现地震作用下实际结构的真实反应。本文作者在日本进行合作研究期间，为观察安装软钢阻尼器的实际结构在地震作用下的真实表现，对建造在野外的三层钢框架结构实施了拟动力试验。 该钢框架结构（图1a）建造于1982年[1,2]，基础形式为钢筋混凝土筏板基础。从1983年开始对该结构实施地震反应观测以来，积累了大量的观测数据。从以往的地震观测数据中，选取了表1中所列的4个地震波记录，进行了拟动力试验。通过对有阻尼器结构和无阻尼器结构分别进行的试验，可以观察软钢阻尼器的减震效果。对该结构进行弹塑性地震反应分析，将计算结果与地震观测结果以及拟动力试验结果之间进行比较，可以验证拟动力试验的可信性以及计算模型的合理性。 (a)正立面 (b)侧立面 图1三层钢框架结构 Fig.13-storysteeIframework 2 试验概况 2.1试验对象[1,2I 2 震级地面最大加速度 是否安装阻尼器 6.10.88m/s2否6.50.39m/s2否6.92.77m/s2否6.2 0.23m/s2 是 试验对象为建造在野外的三层钢框架结构 （图1、图2） 。梁、柱为轧制H型钢，柱子截面为H-125>125>6.5>9， 梁的截面为H-200>100>5.5>8，框架柱的腹板以及翼缘实测屈服强度各为365Mpa和325Mpa。 钢筋混凝土现浇楼板与水平钢梁用紧固件连接成为整体，其水平刚度远比柱子大，因此属于剪切型破坏模型。该结构在不超过80gaI左右的地震作用下，将处于弹性变形状态。 立面图 平面图 图2 钢框架结构的形状及尺寸 Fig.2 ShapeanddimensionsofthesteeIframework 地震观测以及拟动力试验，均沿着该结构的弱轴方向实施。拟动力试验对无阻尼器和有阻尼器的结构分别 进行，阻尼器在每层的两榀弱轴上通过间柱安装在上、下层梁之间的中央 部位（图1b）。每层的自重为12.7t。 图3阻尼器的安装位置 Fig.3TheinstaIIationIocationofdamper 2.2极低屈服点软钢阻尼器 用极低屈服点钢材制成的软钢阻尼器的安装位 置、形状尺寸以及力学性能分别示于图3、图4以及表2。阻尼器的单调加载试验结果[3]和反复加载试验结果[4]如图5和图6所示。 图4阻尼器详图 Fig.4Shapeanddimensionsofthedamper表2 极低屈服点钢材的力学性能 Table2Mechanicalpropertiesofultra-low-yield-pointsteel 屈服强度!y极限抗拉强度!u 剪切屈服强度!vy伸长率!80.4Mpa 246Mpa 47.0Mpa 40.7% 图5阻尼器单调加载试验 Fig.5 Monotonicloadingtestofdamper 图6阻尼器反复加载试验 Fig.6Cyclicloadingtestofdamper 2.3试验加载装置 在第一层安装了两架可移动式电液伺服加载器 (沿弱轴)(1100kN、1250mm)， 固定于基础的箱型钢柱为加载器的反力架，加载器通过与楼板相连的H型钢向一层顶板施加荷载，加载器的两端用螺杆分别固定在箱型钢柱和H型钢上(图7)。 图7 试验加载装置 Fig.7Loadingset-upusedintest 通过伺服加载器上的荷载传感器可测得第一层层间剪力，利用位移传感器量测第一层层间位移、阻尼器的剪切变形以及下部间柱的上、下端间相对水平位移。在下部间柱的翼缘上粘贴了4个应变片，用于计算阻尼器分担的剪力。用电脑和数字记录仪采集了试验数据。2.4 拟动力试验方法 进行拟动力试验时，将结构分为试验部分 （一层）和模拟部分（二、三层（）图8）。一层的恢复力由加载器实测而得，而二、三层采用假定的数学模型。获得二、三层数学模型时假定每层的间柱和阻尼器为串联，周边框架与之并联。同时假定间柱和周边框架始终保持弹性，只有阻尼器可能发生塑性变形，该假设在后面的试验中得到了验证。二、三层采用双线型的恢复力模型，利用表3中所列的刚度值确定模型的斜率。结构假 定为剪切型的三质点体系。 表3 构件的刚度(!/kN・m-1) Table3Stiffnessesofparts(!/kN・m-1) 一层 二、三层周边框架柱12901290阻尼器9140091400间柱 126506500阻尼器+间柱111006060层间刚度 12400 7350 3 图8拟动力试验实施方法 Fig.8Themethodofthepseudo-dynamictest 对未安装阻尼器的结构进行强迫振动实验，得到了各振型的固有频率和阻尼比[3,5]，如表4所示。假定结构在安装阻尼器之前和安装阻尼器之后，其粘性阻尼未发生变化，即阻尼系数矩阵["]相同，由此可计算出有阻尼器结构的各振型阻尼比（。!表4） 表4 结构各振型的固有频率和阻尼比 ofthetestmodel 无阻尼器结构(实验) 振型固有频率!/Hz阻尼比!/%123 0.942.764.10 0.870.401.07 有阻尼器结构(计算)固有频率!/Hz 2.727.4310.2 阻尼比!/% 0.300.170.42 震发时间 3试验结果及分析 本次拟动力试验从历年的地震观测记录中选取了 具有代表性的4个地震波记录(图9)，对有阻尼器和 （表5）无阻尼器的两种情况，共计进行了8次试验。进行再现拟动力试验时安装阻尼器的情况与当年收录该地震波记录时相同，进行对比拟动力试验时安装阻尼器的情况与进行地震观测记录时的情况正好相反。 表5 地震反应观测和拟动力试验次数 monitoringcases 无阻尼器观测!!! 试验"""# #对比试验!地震反应观测 ! 1985年10月1986年6月1987年12月1996年9月注："再现试验 有阻尼器观测 试验###" Table4Naturalfreguenciesanddampingratios Table5Summaryforpseudo-dynamictestcasesand 在进行结构的弹塑性地震反应分析时，需要求解以下的动力方程 . }+["]{$ g[#]{$}+{!}=-[#]{1}$ g为地[#]为质量矩阵；["]为阻尼系数矩阵；$式中， {!}为恢复力向量，面运动加速度；一层的恢复力由加载器上的荷载传感器量测到，二、三层的恢复力通过数值分析得到。 拟动力试验采用位移控制加载，30s地震波数据(时间步长为0.005s)的试验耗时大约为30min。4 通过再现试验和地震反应观测得到的第一层层间位移时程曲线如图10所示，对比试验和地震反应观测得到的第一层层间位移时程曲线如图11所示,试验后阻尼器的变形如图12。有阻尼器结构的第一层层间剪 图9地面加速度观测记录 Fig.9Timehistorycurvesofgroundaccelerationobserved 力!1-层间位移"关系曲线的拟动力试验结果示于图16的左半部分，而图13为由拟动力试验得出的第一层阻尼器的剪力!d-剪切位移!关系曲线。 再现试验的结果（图10）显示，输入1985年10月以及1986年6月的地震波记录所进行的无阻尼器结 构的拟动力试验结果与地震反应观测结果相比，其第一层层间位移时程曲线的幅值和周期虽然在后期呈现偏小的倾向，但在前期表现出很好的一致性(图10a、10b)。输入1987年12月的地震波记录进行拟动力试 验后所得到的位移时程曲线的幅值以及周期，与地震反应观测结果符合得较好(图10c)。 图10 第一层层间位移时程曲线(再现试验) Fig.10Timehistorycurvesofstorydriftsof1ststoryinthecase ofregeneratedtests 输入1996年9月的地震波记录所进行的有阻尼器结构的拟动力试验结果与地震观测结果相比较，其位移时程曲线的幅值和周期的再现效果较理想(图10d)。 从对比试验结果（图11）中可以看出，在结构上安 装了软钢阻尼器之后，结构的位移反应明显降低。 5 图11第一层层间位移时程曲线(对比试验) Fig.11Timehistorycurvesofstorydriftsof1ststoryinthecase ofcontrasttests 图12试验后的阻尼器变形 Fig.12Deformationofdamperafter test 61987年12月，当时在结构上未安装阻尼器时第一层层间位移的观测最大值为20mm左右，而对有阻尼器结构所进行的拟动力试验最大值为7mm左右(图11c)。拟动力试验结果表明，在整个试验过程中周边框架柱和间柱始终保持在弹性变形范围之内，均未发生塑性变形。1987年12月的地震观测记录在所选取的4条波中强度最大，输入该地震波记录所进行的有阻尼器结构拟动力试验中，软钢阻尼器产生了相当大的塑性变形，试验结束后的变形情况见图13。图13第一层阻尼器剪力-剪切位移关系曲线Fig.13Hysteresisloopsofdamper4数值分析进行有阻尼器结构的地震反应分析时，周边框架柱和间柱的恢复力模型假定为弹性，而对软钢阻尼器采用如图14所示的被称为SkeletonShift的滞回模型[6]。如图中所示，该模型中正向加载和反向加载的骨架曲线各由两根直线组成。在弹性变形范围之内，正向和反向的目标点各为弹性极限!t和!c点。超过弹性范围之后，加载一侧的目标点时时更新为加载点，而此时反向的目标点与骨架曲线一同沿着!轴平移该加载点所经历的塑性变形量!p的"倍。根据此两个目标点确定卸载曲线，该曲线用Ramberg-osgood函数描述。通过调整比例常数"的大小，可描述多种不同的恢复力模型。例如当"=0时，骨架曲线之外的部分 图14SkeletonShift模型的滞回性能 Fig.14HystereticbehaviorofSkeletonShiftmodel 图15第一层层间位移时程曲线 Fig.15Timehistorycurvesof1ststorydrifts图16第一层层间剪力-层间位移关系曲线Fig.16Hysteresisloopsof1ststoryshearforce-drifts变为Ramberg-osgood模型，而当!=1时，则与加藤模型一致[7]。在描述用极低屈服点钢材制成的软钢阻尼器的恢复力模型时，Ramberg-osgood模型中的指数系数一般取用8，比例常数!取用0.25~0.97之间的值；在本文的计算中指数系数取用8，比例常数!假定为0.65。计算中所用的各层构件的刚度根据表3确定。图15为根据计算和试验得出的有阻尼器结构第一层层间位移时程曲线，图16为第一层层间剪力!1-层间位移"关系曲线。(下转第14页) 7 且防止翼缘板过早的局部失稳，从而可取得较好的经济效益。 （3）对于门式刚架结构，梁柱节点处弯矩较大，腹板易于局部屈曲，应在端头设置斜向加劲肋，可以有效防止梁柱节点处腹板的过早屈曲；在靠近柱顶节点处的内翼缘，压应力较大且由于与梁端板连接造成了隔断，故可以采用变翼缘厚度的焊接截面柱。 图17 （板壳有限元分析结果）（!f=6mm，刚架变形图!w=2mm） [1][2] elementanalysis 参考文献 Fig.17Diagramofportalframedeformationresultingfromfiniteshell 王文明，郭彦林，赵熙元.变截面门式钢刚架结构（10）体系的有限元分析[J].建筑结构，1999，.王文明，郭彦林.变截面门式钢刚架结构体系平面内稳定 （5）研究[J].建筑结构学报，1999，20. 7结论 （1）本文进行了一榀门式刚架结构的破坏性试验 [3][4][5][6] 王文明.变截面轻型门式钢刚架结构体系的稳定研究[D].清华大学，1998. 罗颖.单、多层钢框架结构极限承载力的理论和试验研究[D].清华大学，2000.郭彦林，潘CECS102:98 .变截面工形柱平面内稳定极限承载力研究门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S] . （4）[J].土木工程学报，2003,36. 研究，并应用大挠度弹塑性板壳有限元对变截面门式刚架进行了大挠度弹塑性理论分析。理论和试验研究揭示了门式刚架结构的变形规律和破坏机理，所获得的结论对门式刚架结构的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 具有参考价值。 （2）在门式刚架设计中，可以取较大的腹板高厚比、较小的翼缘宽厚比，以充分利用腹板的屈曲后强度（上接第7页） 5结论 利用可移动式多自由度加载系统，对地震观测用 的实际结构实施了拟动力试验，试验中输入该模型在历年地震观测中收录到的4个较典型的地震波记录，也就是尝试了应用拟动力试验技术再现实际结构在地震作用下的真实反应。在本次试验中，拟动力试验大致能够再现该模型的地震观测记录，有力地证明拟动力试验技术的有效性。 为了探讨软钢阻尼器的减震效果，在该结构中安装了软钢阻尼器之后实施了拟动力试验。试验结果表明，软钢阻尼器的减震效果非常显著。 随着塑性变形的发展将骨架曲线进行平移，其卸载曲线由Ramberg-osgood函数来描述，由此得到的滞回模型应用于软钢阻尼器进行了结构的弹塑性地震反应分析，将计算结果与拟动力试验结果进行了比较。计算结果与拟动力试验结果符合得比较好，说明所建立的计算模型合理。14 钢框架结构软钢阻尼器振动控制的试验及理论研究 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：李玉顺， 大井谦一， 沈世钊李玉顺,沈世钊(哈尔滨工业大学,土木工程学院,黑龙江,哈尔滨,150090)， 大井谦一(东京大学,生产技术研究所,日本,东京)建筑结构学报JOURNAL OF BUILDING STRUCTURES2004,25(2)16次 参考文献(7条) 1.高梨晃一;大井謙一 铁骨造建物の地震応答観测(その1) 1983(09) 2.高梨晃一;大井謙一 鉄骨造建物の地震応答観测(その2) 1984(09) 3.大井謙一;李昇宰;西田明美 履歴型ダンパ一付铁骨架構の地震応答性状 2000(12) 4.脇与助;大井謙一;高梨晃一 履歴ダンパ一付铁骨造骨組の振動性状に関する研究(その1)極低降伏点鋼を用ぃた世ん断型制御ダンパ一繰り返レ載荷実験 1996 5.西田明美;山下真吾;近藤日出夫 履歴型ダンパ一付铁骨造骨組の振動性状に関する研究(その 2)履歴ダンパ一付3层铁骨造骨組の起振機実験 1996 6.孟令樺;大井谦一;高梨晃一 铁骨骨組地震応答解析のたぁの耐力劣化を伴ぅ簡易部材モデル 1992 7.KATO B;AKIYAMA H Inelastic bar subjected to thrust and cyclic loading 1969(01) 本文读者也读过(7条) 1. 李钢.李宏男.Li Gang.Li Hongnan 新型软钢阻尼器的减震性能研究[期刊论文]-振动与冲击2006,25(3) 2. 贾大强 软钢阻尼器系统减震性能的试验研究[学位论文]2007 3. 裴星洙.方鹏凯.Pei Xingzhu.Fang Pengkai 设置软钢阻尼器的钢框架消能减震性能研究[期刊论文]-江苏科技大学学报（自然科学版）2009,23(1) 4. 李宏男.李钢.李中军.邢福国.LI Hongnan.LI Gang.LI Zhongjun.XING Fuguo 钢筋混凝土框架结构利用"双功能"软钢阻尼器的抗震设计[期刊论文]-建筑结构学报2007,28(4) 5. 李玉顺.沈世钊 安装软钢阻尼器的钢框架结构抗震性能研究[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报2004,36(12) 6. 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[期刊论文]-地震工程与工程振动2003,23(6) 7. 闻辉.鲁亮 某超限高层结构软钢阻尼器振动控制的试验研究[会议论文]-2009 引证文献(16条) 1.王威.吕西林.徐崇恩 低屈服点钢在结构振动与控制中的应用研究[期刊论文]-结构工程师 2007(6) 2.陈小荣.雷劲松.罗景润.钟卫洲.郭历伦.谢曹阳 基于积分均值法的钢框架减震体系复位性分析[期刊论文]-西南科技大学学报 2009(1) 3.李玉顺.沈世钊 拟动力试验的位移控制技术及误差分析[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报 2007(6) 4.Chen Xin.Yan Shi.Ji Baojian Pseudo-dynamic test and numerical simulation of high-strength concrete framestructure reinforced with high-strength rebars[期刊论文]-地震工程与工程振动（英文版） 2011(2) 5.黄靓.施楚贤.刘桂秋.熊辉 MDOF子结构拟动力方法在复杂高层结构抗震试验中的应用研究[期刊论文]-土木工程学报2006(12) 6.黄靓.陈胜云.高翔.施楚贤.肖岩 带底部薄弱层房屋的抗震试验方法[期刊论文]-沈阳建筑大学学报（自然科学版）