摘要：由于在建筑设计中，在结构中的粘弹性阻尼器的计算精度存在着一定的限度。为此，本文以小学校舍为例，提出了一种更为精确地计算方法，并使得其可以较为简便的再计算程序中添加计算。本文找到了一种使用标准线性固体模型来计算结构荷载反应的方法，通过一定的等效代换使其可以在现有的结构计算软件中得到精确施加，并将其计算结果与数学模型做对比，保证了其计算结果的精确性。
关键词：粘弹性，阻尼器，减震，建筑结构。
1 引 言
小学校舍因其特殊性，历来受到政府相关部门的重视，我国《建筑工程抗震设防分类标准》GB50233-2008将其列为重点设防类，即中小学教学楼应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。中小学建筑由于使用要求需要较大的空间，通常采用钢筋混凝土框架结构，在高烈度设防区由于烈度的再提高，若采用传统的抗震设计方法常常造成设计困难，出现梁柱截面很大、超筋严重等问题。
本文将建筑模型进行简化，仅留下框架，楼板等关键结构，建立了简化后的分析模型。以便于研究在传统抗震结构设计中和在建筑结构中加入粘弹性阻尼器时，两者在地震荷载下的荷载反应，验证消能减震结构是否可以解决构件截面尺寸过大和超筋严重等设计难题，并且从能量耗散角度评价粘弹性消能减震装置的减震性能。并通过建立地震作用下粘弹性消能减震结构的计算模型；对比安装与未安装粘弹性消能减震装置的相关设计参数，验证消能减震结构的减震效果。
2 粘弹性阻尼器的恢复力模型
粘弹性阻尼器的性能受外激励和环境因素影响较大，其刚度和阻尼特性会随着温度和频率的改变，从而导致它的力学性能非常复杂。为了精确描述粘弹性阻尼器的应力与应变关系，许多研究人员提出了各种各样的恢复力模型。
Kelvin模型：在Kelvin模型中，将阻尼器由一个线性弹簧单元和一个线性阻尼单元并联而成。模型中的输出力是二者之和。
该模型在低频下接近弹性性质，而在高频的条件下，表现为耗能性极强的粘弹性性质，然而，这与粘弹性阻尼器在低频下接近于粘性性质是不箱符合的，因此这是该模型的局限性。它能很好的反映粘弹性阻尼器的蠕变和松弛现象，却不能反映粘弹性阻尼器的储能剪切模量和损耗因子随频率的变化特性。在开尔文模型中：
笔者首先将 Kelvin模型加在建筑中，（Kelvin模型将阻尼器又一个线性弹簧单元和一个线性阻尼单元并联而成。模型中的输出力是二者之和。它能很好的反映粘弹性阻尼器的蠕变和松弛现象，却不能反映粘弹性阻尼器的储能剪切模量和损耗因子随频率的变化特性。）
本文采用软件对结构进行了多遇地震作用下的时程分析，分析加入粘弹性阻尼器后结构楼层位移的变化。为了验证所加粘弹性阻尼器的有效性及地震反应分析的针对性，本文采用elcentro地震波。本文通过将Maxwell模型中的刚度取为一个极大值，进而可以等效成Kelvin模型。随后我们对建筑结构运行分析，并将其与使用传统减震结构的同一建筑的荷载效应进行对比。结构在加入粘弹性阻尼器后，楼层最大位移，减幅27.5%到29.8%，说明其起到了良好的减震效果。
标准线性固体模型：该模型将粘弹性阻尼器模拟为弹簧单元和Kelvin模型相串联。
它不仅能够反映粘弹性阻尼器的性能随着频率的变化趋向，而且能够反映粘弹性阻尼器的松弛及其轻微的蠕变特性，但不能反映温度对粘弹性阻尼器性能的影响，也不能精确地描述频率对粘弹性阻尼器性能的影响规律。
为了使用标准线性固体模型进行减震分析，本文使用ETABS软件模拟建立了一个标准线性固体模型。在本实验中实验结构是一个教学楼模型，参数自行合理拟定，通过将设计的阻尼器加入教学楼的适当位置，并进行抗震分析从而得到位移图像和荷载反应，最后进行对比分析得出结果。标准线性固体模型是将粘弹性阻尼器模拟为弹簧单元和Kelvin模型相串联的
在对应于模型中的两个K值以及一个阻尼C值从左到右分别编号为K1，K2 和C。
K1=1500kN/m K2=1500kN/m，C=300kN*s/m；连接属性名为Link，模型方向设为U1，不固定，对于全部荷载工况使用的刚度值而言，刚度是解锁的，对于全部荷载工况使用的阻尼值而言，阻尼也是解锁的，方向同上为U1，且为非线性的，类型使用的是Damper-Exponential，然后用ETABS建立模型如下图
模型节点分别编号为A，B，C，其中A和B节点之间为值为K1的弹簧，B和C节点之间由值分别为K2和C的弹簧和阻尼并联而成，并联后再与A和B节点之间的值为K1的弹簧串联。对于约束而言，基于全局坐标系的节点自由度限制了Y和Z方向的平动和X，Y，Z三个方向的转动。这样A和B节点被施加约束的结果为只能在X方向平动，节点C固结。由于要用于最后计算模型的抗震情况，自行在A节点施加一个附加质量，在基于全局坐标系的集中质量中X/Y方向定义为1000kg，Z方向定义为0kg，基于全局坐标系的转动惯量在X，Y，Z轴方向均为0.用上述的定义质量替换模型现有质量，模型如图所示：
下一步本文定义了一个为sin正弦波的时程函数，函数时辰名命名为正弦，参数周期定义为1，每个周期的步数定义为20，周期数为5，振幅也定义为1，时辰函数确定了之后本文定义了荷载工况：常规设定中荷载工况名称定义为正弦，荷载工况类型和子类型为Time History和Linear Direct Integration.施加的荷载类型为Acceleration，比例系数为30使用非线性工况（不包括工况结束荷载），输出时间步定义为400且输出时间间隔为0.01sec，然后运行软件得出结果，下图是得出的A节点的位移与输出力的曲线图：
结果证明软件中建立的标准线性固体模型基本能满足给定参数的抗震要求。
完成模型抗震检验之后把此连接加入到教学楼中，在ETABS软件中的3D图像如上图所示，是一个平面呈矩形且中间凹的框架结构，实验模型加入在每一层的对角之中。大楼的荷载工况类型/子类型为Time History和Linear Direct Integration，荷载类型定义为Acceleration，函数使用给的地震波函数elcentro，比例系数取30，输出时间步为400，输出时间间隔为0.02sec。紧接着运行并得出结果，得到了该节点力与位移的曲线图如下，图中曲线整体范围大致与椭圆相似，从上一测试可以大致认为模型在教学楼中起到了抗震作用。
4.研究设计依据及实现问题
结构设计的基本要求之一便是可靠地预测设计结构在特定荷载条件下的响应，在目前的实际发展现状下使得工程师在所有参数以适当给定的前提下能够正确分析出所设计的结构。在目前的设计软件中，对于粘弹性阻尼器这一方面，软件只能添加比较简单的Maxwell模型，本文通过计算和模拟，通过适当的等效方法和设计参数的相关性，在结构中附加上了Kelvin模型，标准线性固体模型和等效标准固体模型。并在数学模拟软件中对等效的模型进行复核，以确保所设计的等效模型的准确性。
参考文献是：
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论文作者:钟一涵1,杨远凡1,刘俞佟1
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/13
标签：粘弹性论文; 模型论文; 荷载论文; 阻尼器论文; 结构论文; 阻尼论文; 线性论文; 《基层建设》2018年第36期论文;