非粘滯阻尼力模型及其結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析方法研究

工程結(jié)構(gòu)在風、地震等動力荷載作用下的響應(yīng)是結(jié)構(gòu)抗災(zāi)分析和設(shè)計的重要內(nèi)容。給定荷載作用下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度和阻尼是影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的主要因素。在結(jié)構(gòu)分析中，前二者都能很清楚地確定，然而由于阻尼機制的復(fù)雜性和多樣性，工程上為了處理方便，通常將阻尼力簡化為粘滯阻尼力來處理。本項目采用理論分析、試驗和數(shù)值方法研究了一種卷積型非粘滯阻尼模型。主要研究內(nèi)容分為四個方面：1. 研究了該阻尼模型描述的阻尼機理、響應(yīng)特點以及與粘滯阻尼模型機理的異同；2. 研究了該阻尼模型的參數(shù)識別方法；3. 研究了采用該類阻尼模型的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析方法；4. 試驗研究驗證了該模型對常見的阻尼材料阻尼力的描述能力。 首先，理論上，卷積型非粘滯阻尼模型對結(jié)構(gòu)的阻尼機理描述具有更好的普適性，它可退化得到常用的粘滯阻尼模型。與粘滯阻尼模型相比，試驗研究表明非粘滯阻尼模型具有同等或更好的描述能力（取決于阻尼材料或者機理）；在相同阻尼比情況下，由于該模型“松弛”效應(yīng)，非粘滯阻尼模型系統(tǒng)的響應(yīng)比相應(yīng)的粘滯阻尼系統(tǒng)響應(yīng)大，影響程度及響應(yīng)相位差與結(jié)構(gòu)自振周期之比有關(guān)；在過阻尼情況下（ζ>1），非粘滯阻尼系統(tǒng)仍然可能產(chǎn)生振動。 研究提出了兩種卷積型非粘滯阻尼系統(tǒng)參數(shù)識別方法，包括：非粘滯阻尼系統(tǒng)阻尼系數(shù)識別的拉普拉斯域方法和指數(shù)型非粘滯阻尼模型的松弛因子的識別方法。數(shù)值仿真和試驗研究表明,該方法能有效地識別這種非粘滯阻尼模型的阻尼系數(shù)；當阻尼的非粘滯性不強時,其得到的結(jié)果與已有方法對粘滯阻尼參數(shù)識別結(jié)果一致。 研究提出了三種包括該阻尼模型的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析方法，包括：基于Volterra積分方程Taylor展開的卷積型非粘滯阻尼系統(tǒng)響應(yīng)的時程分析方法，非粘滯阻尼系統(tǒng)時程響應(yīng)分析的精細積分方法和微分求積求解算法。采用后一種算法，建立了一套可將該阻尼模型及其求解算法嵌入通用有限元軟件的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)求解系統(tǒng)，用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析，并對某大型復(fù)雜超高層建筑結(jié)構(gòu)的風振響應(yīng)進行了分析。 針對建筑結(jié)構(gòu)常用的粘彈性阻尼和粘滯阻尼材料，分別對進行了阻尼器性能試驗；應(yīng)用卷積型非粘滯阻尼理論建立其阻尼力模型，并確定其參數(shù)；分別對安裝了這兩種阻尼器的鋼框架進行了振動臺試驗，將測試的結(jié)果響應(yīng)與數(shù)值分析結(jié)果進行對比，驗證了該模型對這兩種阻尼材料的描述能力和精度。 2100433B

本項目針對現(xiàn)有粘滯阻尼力模型對結(jié)構(gòu)阻尼機制描述的不足、新材料和新技術(shù)在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用給阻尼模擬帶來的挑戰(zhàn)，研究一類非粘滯阻尼機制，發(fā)展相應(yīng)的阻尼力模型及其參數(shù)識別方法和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析方法。研究內(nèi)容包括：1.試驗研究粘彈性等阻尼材料的阻尼特性，采用非粘滯阻尼理論建立和發(fā)展一類新的非粘滯阻尼力模型。2.研究非粘滯阻尼力模型的復(fù)模態(tài)分析方法，發(fā)展阻尼力模型參數(shù)的識別方法；3.研究耦合了非粘滯阻尼力模型的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的分析方法，重點發(fā)展動力響應(yīng)分析的時間離散數(shù)值算法。4.將粘彈性材料、增強阻尼混凝土等材料引入模型結(jié)構(gòu)，通過試驗驗證所發(fā)展的阻尼力模型及其相關(guān)算法。本項目的研究將深化對阻尼機理的認識，豐富結(jié)構(gòu)的阻尼力模型，完善和發(fā)展結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析方法，提高結(jié)構(gòu)抗災(zāi)動力響應(yīng)分析的精細化水平，推動新材料和新技術(shù)在現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1976年唐山及2008年汶川發(fā)生的強震造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，本項目針對城鎮(zhèn)多層及低層建筑結(jié)構(gòu)，提出一種新型建筑減震體系即非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)體系的設(shè)想，針對該減震結(jié)構(gòu)體系開展了地震作用下非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)的空間動力模型及損傷機理研究工作，主要研究工作內(nèi)容和取得的研究成果包括：①針對非固結(jié)減震體系提出一種錐形非固結(jié)減震裝置，對裝置的關(guān)鍵參數(shù)坡度角及聚氨酯高阻尼材料復(fù)合減震層開展研究，設(shè)計并加工不同坡度角和減震層為氯丁橡膠、丁基橡膠、聚四氟乙烯等的錐形非固結(jié)隔震支座，對不同參數(shù)的支座進行水平力學(xué)性能試驗，研究坡度角、阻尼材料類型、阻尼材料厚度、加載振幅、加載頻率及高應(yīng)力等對支座力學(xué)性能的影響，試驗結(jié)果表明非固結(jié)支座在多因素影響下具有穩(wěn)定的力學(xué)性能，得到了不同坡度角、減震層材料支座的耗能能力及各種因素的影響規(guī)律。②基于不同坡度角非固結(jié)支座靜力試驗滯回曲線，采用ABAQUS軟件進行支座三維模擬，采用超彈性力學(xué)模型系統(tǒng)地開展非固結(jié)混凝土承臺與聚氨酯高阻尼材料復(fù)合減震層的本構(gòu)關(guān)系及彈塑性滯回性能研究，對支座的運動過程進行數(shù)值模擬，提出支座受力位移三階段的運動狀態(tài)，基于三階段的運動狀態(tài)提出考慮壓應(yīng)力/應(yīng)變/頻率等多因素效應(yīng)的支座恢復(fù)力骨架曲線公式及簡化模型。③對采用非固結(jié)錐形隔震支座的縮尺1:4鋼框架結(jié)構(gòu)模型進行了水平和豎向單向地震波輸入下的振動臺試驗。通過輸入不同類型的地震波分析上部結(jié)構(gòu)和錐形支座的地震反應(yīng)。試驗結(jié)果表明，在8度和9度罕遇地震作用下，上部結(jié)構(gòu)的加速度峰值比輸入加速度峰值增加10%-50%，與普通抗震結(jié)構(gòu)相比具有較理想的減震效果。采用有限元軟件建模分析大震下非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，數(shù)值模型的地震響應(yīng)與振動臺試驗實測曲線較吻合，試驗與數(shù)值分析結(jié)果一致性良好。④基于錐形非固結(jié)支座的幾何特性，分析了非固結(jié)支座在地震作用下的沖擊效應(yīng)，探討了沖擊效應(yīng)在不同地震烈度、不同場地波下對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。采用有限元軟件模擬非固結(jié)隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，結(jié)合振動臺試驗結(jié)果分析結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)，劃分兩種沖擊狀態(tài)并定義了沖擊放大系數(shù)，建立了非固結(jié)減震結(jié)構(gòu)沖擊效應(yīng)的判定標準。⑤針對錐形非固結(jié)支座不能承受拉力的特點，研究了罕遇地震下結(jié)構(gòu)的抗傾覆可靠性，提出了三種非固結(jié)結(jié)構(gòu)高寬比限值計算方法，分析不同烈度區(qū)、不同場地條件下結(jié)構(gòu)的高寬比限值，給出了非固結(jié)隔震結(jié)構(gòu)的抗傾覆驗算的計算依據(jù)。 2100433B

我國河北唐山及四川汶川發(fā)生的強烈地震造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，加緊構(gòu)建特大地震作用下具有高抗震能力的城鎮(zhèn)建筑結(jié)構(gòu)體系已成為亟待解決的課題。本申請項目旨在建立非固結(jié)混凝土承臺減震結(jié)構(gòu)體系，通過基礎(chǔ)理論研究、動力模型試驗和數(shù)值分析等方法，系統(tǒng)地開展非固結(jié)混凝土承臺與聚氨酯高阻尼材料復(fù)合減震層的本構(gòu)關(guān)系及彈塑性滯回性能研究，提出考慮壓應(yīng)力/應(yīng)變/頻率等多因素效應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型；研究非固結(jié)混凝土承臺減震結(jié)構(gòu)考慮水平雙向地震與豎向地震耦合效應(yīng)的非線性分析模型，提出減震結(jié)構(gòu)考慮沖擊效應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型、反應(yīng)譜分析理論以及相應(yīng)的地震反應(yīng)預(yù)測理論；特別是通過靜力及動力試驗和理論研究探索非固結(jié)混凝土承臺減震結(jié)構(gòu)在特大地震輸入下的性態(tài)特征和損傷機理。本項目的開展對于提升我國城鎮(zhèn)民用建筑的抗震安全性能具有重要的意義，符合國家城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展和抗震防災(zāi)規(guī)劃，項目將力求為非固結(jié)混凝土承臺減震結(jié)構(gòu)提供應(yīng)用基礎(chǔ)理論。

水工結(jié)構(gòu)動力模型試驗(Hydraulic structure dynamic model test)是指通過以相似原理制作的模型和所施加的動力荷載來研究水工結(jié)構(gòu)物的動力特性及其在各種動力荷載作用下的動力響應(yīng)的試驗。