阻尼在结构动力计算中的理解与应用
0 前言
振动体系中使振动振幅稳定减小的作用称为阻尼, 建筑结构中, 阻尼主要来自结构变形过程中材料的内摩擦作用、不同材料之间的相互作用和周围介质 (如空气) 产生的阻力等, 其中各类摩擦和相互作用包括混凝土微裂缝的张开与闭合、各连接部位的摩擦、结构自身与非结构构件 (如非填充墙) 之间的摩擦、土壤-结构的相互影响作用等
1 数值模型
1.1 等效黏滞阻尼
以单自由度体系的自由振动为背景, 当不考虑阻尼时, 体系的运动方程为:
式中:m为质量;k为刚度;
定义体系自振圆频率
当给定初始扰动后, 体系将以固定周期2π/ωn往复运动, 位移曲线如图1所示。
当考虑阻尼力fD作用时, 建立图2所示的经典质量-弹簧-阻尼器单自由度系统结构体系, 运动方程如下式所示:
假设阻尼力fD与结构的相对速度
黏滞阻尼系数c无法和结构刚度一样通过结构尺寸和构件大小来计算得到, 一般通过振动试验测量运动衰减率计算得到。
1.2 库伦摩擦阻尼
如果结构阻尼纯粹为黏滞的, 理论上运动会如图1所示的自由振动永远持续下去, 尽管振幅越来越微小;然而在实际情况中, 必定存在使结构振动停下来的阻尼机制, 这部分阻尼称为库伦摩擦阻尼, 其来自两个表面滑动产生的摩擦, 表达式为Fs=μN (Fs为库伦摩擦力;μ为摩擦系数;N为滑动表面的法向力) , 大小与速度无关。
在实际工程应用中, 除非结构中装有摩擦装置, 一般仍只采用等效黏滞阻尼。
1.3 滞变阻尼
由于黏滞阻尼理论可导出简便的运动方程形式, 在工程中被广泛应用, 但其每个周期的能量耗散依赖于激励频率;而试验表明, 在每个周期的循环应变中, 内部能量耗散基本上与循环频率无关 (图3) 。
基于此, 工程界定义了新的滞变阻尼理论, 其与速度同相而与位移成比例, 能量耗散不依赖于激励频率, 其阻尼力为:
式中:i为虚数单位;ζ为滞变阻尼系数。
2 阻尼比和阻尼矩阵
2.1 阻尼比
等效黏滞阻尼体系的运动方程 (式 (4) ) 表达为:
式中ξ为阻尼比,
结构阻尼比一般需要通过长时间积累的大量结构地震动实测记录来分析确定, 但阻尼数据的积累并不容易, 因为最合理的阻尼值需要在结构产生较强烈振动但不产生非线性响应的时候获得, 当振动较小时, 测得的阻尼比值通常过小;而一旦结构进入非线性, 实测的阻尼数据将会受到由于材料非线性滞回耗能带来的影响而数值过大。
表1为文献
常见结构阻尼比取值建议表1
应力水平 |
结构类型与条件 | 阻尼比/% |
工作状态 不超过 0.5倍 屈服点 |
焊接钢;预应力混凝土;只有轻微 开裂的适筋混凝土 |
2~3 |
钢筋混凝土 (开裂相对较大) |
3~5 | |
栓接或铆接钢;具有铆钉或螺栓连接的木结构 |
5~7 | |
在屈服点 或略低于 屈服点 |
焊接钢;预应力完全没有损失的预应力混凝土 |
5~7 |
预应力混凝土没有剩余预应力 |
7~10 | |
钢筋混凝土 |
7~10 | |
栓接或铆接钢;具有螺栓连接的木结构 |
10~15 | |
具有铆钉连接的木结构 |
15~20 |
表2为国内外规范对阻尼比的取值规定。由表2可见, 结构阻尼比不仅与结构本身的材料、结构高度、结构形式等有关, 还与分析时的建模方式有关。当采用非线性模型进行罕遇地震作用下动力弹塑性分析时, 由于材料进入塑性引起的耗能不应再重复考虑到阻尼耗能中;而采用等效弹性模型时, 则可将非线性耗能作为等效阻尼比考虑。
文献
国内外规范对阻尼比的规定表2
规范名称 |
规定 |
《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) [4] (简称抗规) |
混凝土结构:取值0.05;钢结构:多遇地震取值0.02~0.04 (偏心支撑适当提高0.005 ) , 弹塑性分析取值0.05;下部支承结构为混凝土, 结构屋盖为钢结构:取值0.025 ~0.035 |
《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) [5] |
预应力框架混凝土结构:取值0.03 |
《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) [6] (简称高规) |
混凝土结构:取值0.05;混合结构:多遇地震取值0.04;采用等效弹性方法时适当考虑结构阻尼比增加 (一般不大于0.02) |
《构筑物抗震设计规范》 (GB 50191—2012) [7] |
框排架结构:取值0.03;锅炉钢结构、筒仓、井塔各有规定 |
《组合结构设计规范》 (JGJ 138—2016) [8] |
组合结构取值0.04, 高度超过200m时取值0.03 |
高层建筑基于性能的抗震设计指南 (PEER-2017) [9] |
, H为结构高度, m |
高层建筑抗震设计与分析的建模与准则 (ATC-72-1) [10] |
, N为楼层数量 , a取值范围0.6~1.2 (钢结构取下限, 混凝土结构取上限, 适用于非线性分析) |
美国荷载规范 (ASCE/SEI 7-10) [11] |
一般取值0.05 |
欧洲结构抗震设计 (BS EN 1998-1) [12] |
一般取值0.05 |
2.2 阻尼矩阵
当结构为多自由度体系, 自由振动运动方程为:
式中m, k和c分别为质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵。
u采用无阻尼振型, 并用u=Φq表示 (Φ为体系的振型矩阵, q为振型坐标矩阵) , 并前乘ΦT, 方程 (7) 可改写为:
即:
由振型矩阵Φ的正交性可知, M=ΦTmΦ, K=ΦTkΦ为对角矩阵, 而C=ΦTcΦ是否为对角矩阵取决于体系中阻尼的分布。
2.2.1 经典阻尼
如果C为对角矩阵, 此时一般结构中各部位都具有相似阻尼机制 (如多层建筑沿高度具有相似的结构特性) , 则称该体系具有经典阻尼。
此时运动方程可代表为振型坐标qn的n个无耦联的微分方程, 即:
从而对于线性分析, 原n维多自由度问题可直接解耦为求解n个单自由度的运动方程 (式11) , 经典振型分析法即为该直接解耦方法。求解过程与单自由度一致, 直接通过各振型阻尼比ξj定义对应阻尼系数Cjj。
2.2.2 非经典阻尼
当C=ΦTcΦ为非对角矩阵时, 则称为非经典阻尼, 即方程组 (式12) 耦合, 无法解耦形成单自由度形式的动力方程进行求解。
常见的非经典阻尼体系通常包括两个或两个以上具有明显不同阻尼水平的部分:如结构-土体系统 (图4) 、具有特殊耗能装置结构、隔震系统和混合结构等。
2.2.3 常见阻尼矩阵模型
当对具有非经典阻尼或具有经典阻尼的结构进行非线性分析时, 方程组之间存在耦联, 无法通过振型分析方法求解, 此时需给出阻尼矩阵的完整定义, 通过直接积分法来求解运动方程。常见的阻尼矩阵模型有振型阻尼和瑞雷阻尼。
振型阻尼矩阵可根据振型阻尼比确定, 由于C=ΦTcΦ为对角矩阵, Cn=ξn (2Mnωn) , 其中Mn为M矩阵对角元素, 即Mn=ΦTnmΦn, 故阻尼矩阵c可通过对角矩阵M换算表达为:
瑞雷阻尼假设阻尼为质量阻尼和刚度阻尼的线性组合 (图5) , 表达式为:
式中α和β为常数, 可通过给定的任意两阶振型阻尼比反算求得。
对于动力弹性分析, 这两种阻尼模式可单独使用, 也可组合使用。大多数结构计算通常选取振型阻尼, 但振型数量的设定往往由于矩阵维度和计算量的限制, 一般只能选取到结构前n个振型 (满足振型质量参与系数要求) , 如只采用振型阻尼, 则高振型都处于无阻尼状态, 此时就需要设定一定比例的瑞雷阻尼, 形成组合形式的阻尼模型。
3 阻尼在工程中的应用
3.1 瑞雷阻尼关键振型的选择
由图5 (c) 可见, 阻尼矩阵仅能确保两个振型 (TA和TB对应振型) 的阻尼为设定值 (如混凝土材料为5%) , 因而在TA~TB区间的阻尼比将小于5%, 结构响应偏大, 导致设计偏于保守, 但一般来说可满足工程结构的分析精度;而在小于TA和大于TB区间, 阻尼估算偏大, 结构响应偏小, 可能会导致设计偏于不安全。因而当采用瑞雷阻尼时, 应选择合适的两个振型来确定质量系数α和刚度系数β。
以表3所示结构为例, 结构前6阶振型对应的频率见表3, 在确定瑞雷阻尼参数时选择三种方案指定TA和TB对应振型 (相应阻尼比为5%) :1) 工况1, 指定第1, 2阶振型;2) 工况2, 指定第3, 4阶振型;3) 工况3, 指定第1, 6阶振型。计算得到其他各阶频率对应阻尼比如表3所示。
基于不同振型计算结果对比表3
振型 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
自振频率/Hz |
6.3 | 13 | 31 | 63 | 94 | 126 |
工况1下阻尼比 |
5% | 5% | 9% | 17% | 20% | 33% |
工况2下阻尼比 |
17% | 9% | 5% | 5% | 6% | 7% |
工况3下阻尼比 |
5% | 3% | 2% | 3% | 4% | 5% |
由图6的结果分布可知, 关键振型的选择对各振型阻尼比值影响不可忽视, 当采用前2种取值方法时, 将过高估计其余振型的阻尼影响。因而在采用瑞雷阻尼时, 建议通过多方案对比分析, 对关键振型的选取进行检验。
3.2 适用于非经典阻尼的振型阻尼比法
对于上部钢结构屋盖、下部混凝土支承结构, 由于钢结构部分的阻尼比为0.02, 而混凝土结构部分的阻尼比为0.05, 故结构为明显的非经典阻尼体系。
抗规对于此种结构形式给出了两种简化方法:振型阻尼比法和统一阻尼比法。振型阻尼比法通过设置各种材料的不同阻尼比, 根据各构件的应变能加权平均的方法来计算各阶振型阻尼比。应变能贡献大的构件对该振型的阻尼比贡献较大, 反之则较小。
图7所示结构由下部混凝土结构和上部钢屋盖结构组成, 对此结构通过振型阻尼比法进行分析, 结果如图8所示, 结构大部分振型的阻尼比在0.02~0.03, 符合实际情况中钢构件较多的特点。得到不同振型阻尼比后, 一方面可直接用于振型反应谱法进行结构设计或基于振型叠加法进行动力时程分析;另一方面也可以通过不同振型阻尼比组建阻尼矩阵, 进行直接积分法计算。
此简化方法将非经典阻尼转化为经典阻尼, 相当于对结构的阻尼矩阵进行“强制”解耦, 虽然该方法人为地忽略了阻尼转换矩阵中的非对角元素, 不可避免地引入计算误差, 但有利于结构设计人员的理解和应用。 且在特殊情况下, 有利于结构地震力的校核, 如计算混凝土结构附属的屋顶钢结构地震力时, 通过查阅阻尼比值为0.02时对应的局部振型参与质量与钢结构质量比值是否超过90%, 即可判定屋顶鞭梢效应是否在反应谱分析中充分考虑。
3.3 超高层结构动力弹塑性分析阻尼比的取值
参考抗规和高规, 动力弹塑性分析对于混凝土结构阻尼比的取值为0.05, 高层建筑基于性能的抗震设计指南 (PEER-2017)
本文以某实际项目为背景, 对其结构模型进行动力弹塑性分析, 结构高度为298m, 标准层结构平面尺寸为49.3m×53.6m, 高宽比为6, 采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。首先采用PERFORM-3D软件, 参考抗规要求, 取阻尼比为0.05 (重力荷载代表值为1.0恒载+0.50活载) 进行动力弹塑性分析。由图9可见, 弹塑性状态下, 结构振动周期明显加长, 并出现一定的残余变形。
同时参考高层建筑基于性能的抗震设计指南 (PEER-2017)
对比可见, 在动力弹塑性分析下不同阻尼比取值工况对结果的影响明显 (由应变能分布可见, 两工况中活载取值差异对结果影响较小) , 因而对于超高层结构的动力弹塑性分析, 建议对不同阻尼比取值工况进行计算校核。
3.4 动力弹塑性分析中的阻尼
3.4.1 隐式算法
在以PERFORM-3D为代表的隐式算法软件中, 应用振型阻尼矩阵或瑞雷阻尼矩阵都较为方便。
为节约计算时间, 通常用初始弹性刚度矩阵直接形成瑞雷阻尼矩阵, 或计算结构的初始线弹性自振周期与振型间接形成振型阻尼矩阵, 两类阻尼矩阵都不随时间变化。
将线弹性响应阶段的振型阻尼矩阵用于弹塑性响应阶段, 是一种近似方法, 因为结构进入弹塑性阶段工作后, 自振周期延长, 振型形式也将出现变化。
当结构进入强非线性状态时, 由于结构的刚度处于变化过程, 导致振型形式不是确定性的, 振型阻尼可能会带来明显的数值计算“振荡”, 以单一的瑞雷阻尼形式构建结构体系的阻尼矩阵较为合适。然而需要注意的是, 由于动力弹塑性分析时刚度矩阵处于变化过程中, 瑞雷阻尼矩阵也不再是恒定值, 当采用瑞雷阻尼矩阵时, 对于刚度阻尼项βk必须加以关注, 特别是用纤维模型模拟的混凝土单元的刚度阻尼项, 这类单元的混凝土纤维在初始线弹性响应阶段假设为尚未开裂, 开裂后单元刚度显著下降, 继续用单元开裂前的刚度矩阵将会过高估计与此类单元相关的阻尼力与能耗, 从而影响数值计算的精度及结构动力响应的真实性。在PERFORM-3D中, 一般通过将混凝土纤维单元的刚度阻尼项系数β进行折减来处理。
文献
3.4.2 显式方法
在以ABAQUS为代表的显式分析计算中, 施加刚度阻尼项将会大量增加计算成本, 无法满足工程实际需求;其原因是显式算法为有条件的稳定算法, 其稳定积分时间步长Δt由分析模型中最高阶振型的圆频率ωmax和阻尼比ξmax确定, 如下式所述:
假设体系基本振型频率为1, 阻尼比为0.01, 最高阶振型圆频率取1 000。由式 (15) 可知, 对于无阻尼体系的稳定时间步长为:
当考虑质量阻尼项a0/2ωn时, 阻尼比与频率成反比, 对应值为0.01×10-3, 则稳定积分时间步长为:
当考虑刚度阻尼项为a1ωn/2时, 阻尼比与频率成正比, 对应值为0.01×103, 稳定积分时间步长为:
由Δt1和Δt2与无阻尼时稳定时间步长Δt对比可见, 考虑质量阻尼项后时间步长基本不变, 而应用刚度阻尼项后, 时间步长减小为Δt的1/20, 计算量将增加20倍。
因此, 在显式分析中, 一般仅采用质量阻尼项;但是由图5可知, 质量阻尼随着自振频率增大将迅速减小, 仅考虑质量阻尼将导致高阶振型的阻尼偏小, 从而过高估计高阶振型响应, 结果将偏保守。
3.4.3 振型阻尼在显式分析中的实现方法
为了克服显式算法这一不足之处, 可行的一个方法是在计算中引入振型阻尼。
由于高层结构自由度数量较大, 如第2.2.3节中所述, 计算中由于矩阵维度和计算量限制, 无法考虑所有振型, 如果只使用振型阻尼仅可保证部分振型的阻尼为设定值, 故本文基于ABAQUS的二次开发环境
式中ξd_n为振型阻尼部分的阻尼比。
阻尼比ξ值大小为质量阻尼部分ξm和振型阻尼部分ξd之和, 质量阻尼仍采用默认实现方法, αm为ξm对应计算得到的质量阻尼系数;振型阻尼部分首先通过振型阻尼比计算得到阻尼矩阵, 即式 (16) 等式右侧第2部分, 继而结合节点速度值计算得到振型阻尼力, 将其作为已知外力作用在结构上。
由于受ABAQUS二次开发环境限制, 近似采用n-1步的速度向量
式中:c2为式 (16) 等式右侧第2部分。
由式 (17) 可知, 已知外力作用, 显式算法仍然成立, 且不会改变求解时间步长。
图12为采用上述等效阻尼力方法 (式17) ) 计算等效阻尼力和直接采用阻尼系数的计算结果对比, 可见该方法可满足工程精度需求。
图13为在ABAQUS软件中实现振型阻尼的流程, 首先通过模态分析获取结构的一致质量矩阵、周期和特征值等模态数据;其次计算阻尼矩阵, 形成矩阵文件C_Matrix.txt, 当矩阵维度过大时, 可按层进行简化;最后通过子程序*VDLOAD获取节点速度, 计算得到振型阻尼力作用于结构。
以某实际项目为背景进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析, 项目采用钢筋混凝土-框架核心筒体系, 结构总高度为180.8m, 通过本文方法在ABAQUS显式分析中实现振型阻尼。图14为结构在仅采用质量阻尼、同时采用振型阻尼和质量阻尼情况下的顶部位移时程, 可见本文方法较仅采用质量阻尼方法有更大的阻尼耗能。计算验证本文方法可在取得较少振型阻尼阶数的情况下, 保证结构有足够的阻尼作用, 且可同时保证求解稳定性。
4 结论
(1) 对结构设计中常见的阻尼数值模型和国内外规范和规程的阻尼使用方法进行了总结对比, 并基于结构运动方程, 对比分析了常用的振型阻尼和瑞雷阻尼模型, 为不同工程使用场景提供指导。
(2) 确定结构阻尼比取值时, 需同时考虑结构材料、结构高度、结构形式和建模方法等因素。
(3) 采用瑞雷阻尼时, 建议通过多方案对比分析, 对确定质量和刚度系数的两个关键振型进行合理选取。
(4) 当结构为多种材料构成的非经典阻尼体系时, 可采用振型阻尼比法简化为经典阻尼体系进行结构设计和校核。
(5) 国内外规范和规程对于超高层结构在动力弹塑性分析下的阻尼比给出了不同的取值方法, 通过本文计算, 两者计算结果差异较大, 在实际工程中建议同时对不同阻尼取值工况进行验算校核。
(6) 对比分析了阻尼在动力弹塑性隐式分析和显式分析中的实现方法和特点, 给出使用方法建议;基于ABAQUS/Explicit方法, 对振型阻尼在显式分析中的应用方法进行了探讨和研究, 其相对于仅采用质量阻尼方法可更好地考虑高阶阻尼作用影响, 可为相关工程应用提供参考。
(7) 阻尼问题本身较为复杂, 建议后续研究和相关规程和指南中对其在结构动力计算中的应用问题进行更为深入的研究, 如弹性和弹塑性分析下阻尼比的取值差异化, 国内外阻尼比取值和实测值的差异等, 以帮助设计师在实际应用中得到更全面和准确的参考资料。
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[6] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2011.
[7] 构筑物抗震设计规范:GB 50191—2012[S]. 北京:中国计划出版社, 2012.
[8] 组合结构设计规范:JGJ 138—2016[S]. 北京:中国计划出版社, 2016.
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