非粘滞阻尼力模型及其结构动力响应分析方法研究

The prevailing viscous damping model may not be adequate to describe the complicated daming mechanism in modern structural systems, especially for those in which new materials and new technologies are incorporated. To overcome the inadequacy of exist damping models, new non-viscous mechanism and its damping model are to be investigated, and the damping parameter identication method and techniques for analyzing the response of structures with this new damping models are to be studied. Recearches in this proposed project include: 1. To identify the new damping mechanism in structures with application of new materials such as viscoelastic material,and to develop corresponding non-viscous damping model; 2. To develop method for complex modal analysis of structures with new damping model, and algorithms for non-viscous damping parameter identification; 3. To investigate the analysis techniques for structural dynamic response with non-viscous damping system, with emphasis on developing discrete time numerical techniques;4.To conduct experimental resrearches to testify the proposed models and techniques by test of model structures incorporated with various damping materials. The outputs of this project, which are to deepen our unstanding of damping mechanism of structures,to enrich the damping models and develop dynamic response analysis techniques, will eventually advance the tehnology for structural analysis and design against disasters, and drive the application of new materials and technologies to modern civil structures.

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。

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。