瑞利阻尼係數 → 振型阻尼比

2021-02-18 築信達

(源自築信達知識庫,ETABS常見問題)

問題描述:

在 CSI 系列的軟體(包括SAP2000、ETABS、CSiBridge等)中,對於反應譜工況或基于振型疊加法的時程工況中的振型阻尼比,可以通過瑞利阻尼(比例阻尼)係數加以確定,如下圖所示。


請問,瑞利阻尼係數如何轉換為振型阻尼比呢?轉換後的振型阻尼比是否會出現異常呢?在採用上述方法確定振型阻尼比時,為什麼在某些分析中,程序會彈出警告,提示「阻尼比過大,無限接近 1.0」呢?

解答:

首先,在反應譜分析和基于振型疊加法的時程分析中,計算程序無需構造結構的阻尼矩陣,只應用振型阻尼比即可。常規的物理試驗或實測數據給出的阻尼也都是振型阻尼比,如自由振動衰減法、半功率法等。

阻尼矩陣則是直接積分法的時程分析所必需的,用於對動力平衡方程進行數值積分。其中,瑞利阻尼(也稱「比例阻尼」)是構造阻尼矩陣的最簡單、方便的常用方法。瑞利阻尼通過質量比例係數 α0 和剛度比例係數 α1,對結構的質量矩陣和剛度矩陣進行線性組合,進而得到結構的阻尼矩陣。即:

考慮到結構振型關於質量和剛度矩陣的正交性,可將上式轉換為振型阻尼、振型質量、振型剛度的表達式,如下:


根據以上公式,則由質量及剛度比例係數 α0、α1 計算振型阻尼比的公式如下:

從上式可以看出,當比例係數 α0、α1 為固定常數時,各個振型的振型阻尼比與頻率的關係如下圖所示:


由上圖可以看出,與質量成正比的阻尼比在頻率很小時,將趨於無窮大;而與剛度成正比的阻尼比則隨頻率的增加而線性增加。即「質量阻尼濾低頻,剛度阻尼濾高頻」!

綜上,在採用「通過瑞利阻尼係數確定振型阻尼比」的過程中,結構自振頻率的過高或過低都將增大阻尼比。所以,如果在模態分析中提取過多的振型數量(如≥300),高頻振型的阻尼比將顯著增大以致趨於1.0,最終引起程序警告。

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