非粘滞阻尼力模型及其结构动力响应分析方法研究

工程结构在风、地震等动力荷载作用下的响应是结构抗灾分析和设计的重要内容。给定荷载作用下，结构质量、刚度和阻尼是影响结构动力响应的主要因素。在结构分析中，前二者都能很清楚地确定，然而由于阻尼机制的复杂性和多样性，工程上为了处理方便，通常将阻尼力简化为粘滞阻尼力来处理。本项目采用理论分析、试验和数值方法研究了一种卷积型非粘滞阻尼模型。主要研究内容分为四个方面：1. 研究了该阻尼模型描述的阻尼机理、响应特点以及与粘滞阻尼模型机理的异同；2. 研究了该阻尼模型的参数识别方法；3. 研究了采用该类阻尼模型的结构动力响应分析方法；4. 试验研究验证了该模型对常见的阻尼材料阻尼力的描述能力。 首先，理论上，卷积型非粘滞阻尼模型对结构的阻尼机理描述具有更好的普适性，它可退化得到常用的粘滞阻尼模型。与粘滞阻尼模型相比，试验研究表明非粘滞阻尼模型具有同等或更好的描述能力（取决于阻尼材料或者机理）；在相同阻尼比情况下，由于该模型“松弛”效应，非粘滞阻尼模型系统的响应比相应的粘滞阻尼系统响应大，影响程度及响应相位差与结构自振周期之比有关；在过阻尼情况下（ζ>1），非粘滞阻尼系统仍然可能产生振动。 研究提出了两种卷积型非粘滞阻尼系统参数识别方法，包括：非粘滞阻尼系统阻尼系数识别的拉普拉斯域方法和指数型非粘滞阻尼模型的松弛因子的识别方法。数值仿真和试验研究表明,该方法能有效地识别这种非粘滞阻尼模型的阻尼系数；当阻尼的非粘滞性不强时,其得到的结果与已有方法对粘滞阻尼参数识别结果一致。 研究提出了三种包括该阻尼模型的结构动力响应分析方法，包括：基于Volterra积分方程Taylor展开的卷积型非粘滞阻尼系统响应的时程分析方法，非粘滞阻尼系统时程响应分析的精细积分方法和微分求积求解算法。采用后一种算法，建立了一套可将该阻尼模型及其求解算法嵌入通用有限元软件的结构动力响应求解系统，用于复杂结构动力响应分析，并对某大型复杂超高层建筑结构的风振响应进行了分析。 针对建筑结构常用的粘弹性阻尼和粘滞阻尼材料，分别对进行了阻尼器性能试验；应用卷积型非粘滞阻尼理论建立其阻尼力模型，并确定其参数；分别对安装了这两种阻尼器的钢框架进行了振动台试验，将测试的结果响应与数值分析结果进行对比，验证了该模型对这两种阻尼材料的描述能力和精度。 2100433B

本项目针对现有粘滞阻尼力模型对结构阻尼机制描述的不足、新材料和新技术在现代结构体系中的应用给阻尼模拟带来的挑战，研究一类非粘滞阻尼机制，发展相应的阻尼力模型及其参数识别方法和相应的结构动力响应分析方法。研究内容包括：1.试验研究粘弹性等阻尼材料的阻尼特性，采用非粘滞阻尼理论建立和发展一类新的非粘滞阻尼力模型。2.研究非粘滞阻尼力模型的复模态分析方法，发展阻尼力模型参数的识别方法；3.研究耦合了非粘滞阻尼力模型的结构动力响应的分析方法，重点发展动力响应分析的时间离散数值算法。4.将粘弹性材料、增强阻尼混凝土等材料引入模型结构，通过试验验证所发展的阻尼力模型及其相关算法。本项目的研究将深化对阻尼机理的认识，丰富结构的阻尼力模型，完善和发展结构动力响应分析方法，提高结构抗灾动力响应分析的精细化水平，推动新材料和新技术在现代土木工程结构中的应用。

1976年唐山及2008年汶川发生的强震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，本项目针对城镇多层及低层建筑结构，提出一种新型建筑减震体系即非固结减震结构体系的设想，针对该减震结构体系开展了地震作用下非固结减震结构的空间动力模型及损伤机理研究工作，主要研究工作内容和取得的研究成果包括：①针对非固结减震体系提出一种锥形非固结减震装置，对装置的关键参数坡度角及聚氨酯高阻尼材料复合减震层开展研究，设计并加工不同坡度角和减震层为氯丁橡胶、丁基橡胶、聚四氟乙烯等的锥形非固结隔震支座，对不同参数的支座进行水平力学性能试验，研究坡度角、阻尼材料类型、阻尼材料厚度、加载振幅、加载频率及高应力等对支座力学性能的影响，试验结果表明非固结支座在多因素影响下具有稳定的力学性能，得到了不同坡度角、减震层材料支座的耗能能力及各种因素的影响规律。②基于不同坡度角非固结支座静力试验滞回曲线，采用ABAQUS软件进行支座三维模拟，采用超弹性力学模型系统地开展非固结混凝土承台与聚氨酯高阻尼材料复合减震层的本构关系及弹塑性滞回性能研究，对支座的运动过程进行数值模拟，提出支座受力位移三阶段的运动状态，基于三阶段的运动状态提出考虑压应力/应变/频率等多因素效应的支座恢复力骨架曲线公式及简化模型。③对采用非固结锥形隔震支座的缩尺1:4钢框架结构模型进行了水平和竖向单向地震波输入下的振动台试验。通过输入不同类型的地震波分析上部结构和锥形支座的地震反应。试验结果表明，在8度和9度罕遇地震作用下，上部结构的加速度峰值比输入加速度峰值增加10%-50%，与普通抗震结构相比具有较理想的减震效果。采用有限元软件建模分析大震下非固结减震结构的动力响应，数值模型的地震响应与振动台试验实测曲线较吻合，试验与数值分析结果一致性良好。④基于锥形非固结支座的几何特性，分析了非固结支座在地震作用下的冲击效应，探讨了冲击效应在不同地震烈度、不同场地波下对结构响应的影响。采用有限元软件模拟非固结隔震结构的地震响应，结合振动台试验结果分析结构的冲击效应，划分两种冲击状态并定义了冲击放大系数，建立了非固结减震结构冲击效应的判定标准。⑤针对锥形非固结支座不能承受拉力的特点，研究了罕遇地震下结构的抗倾覆可靠性，提出了三种非固结结构高宽比限值计算方法，分析不同烈度区、不同场地条件下结构的高宽比限值，给出了非固结隔震结构的抗倾覆验算的计算依据。 2100433B

我国河北唐山及四川汶川发生的强烈地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，加紧构建特大地震作用下具有高抗震能力的城镇建筑结构体系已成为亟待解决的课题。本申请项目旨在建立非固结混凝土承台减震结构体系，通过基础理论研究、动力模型试验和数值分析等方法，系统地开展非固结混凝土承台与聚氨酯高阻尼材料复合减震层的本构关系及弹塑性滞回性能研究，提出考虑压应力/应变/频率等多因素效应的数学力学模型；研究非固结混凝土承台减震结构考虑水平双向地震与竖向地震耦合效应的非线性分析模型，提出减震结构考虑冲击效应的数学力学模型、反应谱分析理论以及相应的地震反应预测理论；特别是通过静力及动力试验和理论研究探索非固结混凝土承台减震结构在特大地震输入下的性态特征和损伤机理。本项目的开展对于提升我国城镇民用建筑的抗震安全性能具有重要的意义，符合国家城镇建设发展和抗震防灾规划，项目将力求为非固结混凝土承台减震结构提供应用基础理论。

水工结构动力模型试验(Hydraulic structure dynamic model test)是指通过以相似原理制作的模型和所施加的动力荷载来研究水工结构物的动力特性及其在各种动力荷载作用下的动力响应的试验。