基于复阻尼的混合结构动力反应分析及试验研究

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目前,随着我国城市化建设的进程不断加快,高层建筑不但数量增多、高度上升,结构形式也在发生变化,单一材料的钢筋混凝土结构或者钢结构体系已经不能满足高层建筑的需要,越来越多的混合结构体系已不断应用于现代高层建筑。混合结构通常由两种或两种以上的阻尼性能存在差异的材料组成,结构的阻尼矩阵难以确定,如何合理地构造混合结构的阻尼矩阵一直是结构工程领域关心的问题。由于黏性阻尼模型具有数学处理上的简易性,而复阻尼模型易于描述材料的阻尼特性,所以在求解混合结构动力响应时这两种阻尼模型应用最为广泛。其中,黏性阻尼模型虽然在数学上处理比较方便,但是存在两个问题,一是采用黏性阻尼模型时,结构在每一个振动周期内的能量耗散与激振频率有关,与试验结果不符;二是采用黏性阻尼模型确定阻尼矩阵的时候容易受振型选择的影响,计算结果的合理性不易被判定。而采用复阻尼时,结构的能量耗散与激振频率无关,与试验结果较为符合。采用复阻尼模型时,使用者可以依据材料的损耗因子快速确定阻尼矩阵,其计算结果唯一,且不涉及振型选择的问题,合理性易判定。但是目前基于复阻尼假定求解混合结构动力响应方程时通常需要计算复振型向量,其计算过程复杂,不适于在工程结构计算中推广使用。基于此,针对混合结构的动力响应计算,本文提出了基于复阻尼模型的强迫解耦法。具体研究内容如下:(1)本文提出了基于复阻尼模型的混合结构强迫解耦法,依据三角级数法实现了地震作用下混合结构动力响应的时程计算。利用Matlab进行编程,分别采用基于复阻尼模型的频域法、本文提出的基于复阻尼模型的强迫解耦法以及基于分块Rayleigh阻尼的时域计算方法对一个2自由度和一个9自由度的混合结构算例进行动力响应计算,并对三种基于不同的阻尼模型得到的计算结果进行对比分析。算例分析表明:与复阻尼模型的频域法相比,本文方法的计算精度满足要求,可用于混合结构的动力响应计算;相比黏性阻尼模型对振型选择的依赖性,本文方法计算结果具有唯一性,其合理性易被判定。(2)为了进一步验证本文提出的基于复阻尼模型的混合结构强迫解耦法的准确性,对由钢板-阻尼胶片组成的混合材料试件进行振动台试验,将试验得到的第一阶振型和第三阶振型附近的频响曲线和通过有限元模拟得到的相应的频响曲线计算结果分别进行对比,分析试验结果和模拟结果的相对误差。对比结果表明,采用本文提出的基于复阻尼模型的强迫解耦法的有限元模拟结果能够较好地与试验结果相吻合,从而进一步验证了本文提出的基于复阻尼模型的强迫解耦法的正确性。(3)为了探究本文提出的基于复阻尼模型的强迫解耦法与实际工程中常用的阻尼模型和阻尼比考虑方法(分块Rayleigh阻尼、单一的整体阻尼比)对混合结构在地震作用下的动力响应计算结果的影响并分析其差异,本文选取以钢筋混凝土为主体的一榀轻钢加层混合框架结构和一栋高层钢管混凝土柱-钢梁-轻钢主次混合结构进行多遇地震下的时程分析。对比结果表明:混合结构采用分块Rayleigh阻尼模型的计算结果受振型选择方式的影响,其合理性不易被判定;混合结构采用单一的整体阻尼比时完全没有考虑混合结构阻尼矩阵的非比例特性,带有一定的主观性,难以给出一个能满足所有类型混合结构的阻尼比的建议值;本文建议的方法计算结果唯一,且能考虑混合结构阻尼矩阵的非比例特性对计算结果的影响。
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