消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法，在消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元彈塑性時(shí)程分析后，提取對(duì)應(yīng)于地震波各時(shí)刻點(diǎn)的樓層層間剪力值Fit和樓層層間位移值uit；獲得消能減震結(jié)構(gòu)在地震波各時(shí)刻點(diǎn)的總應(yīng)變能Wst，并取總應(yīng)變能Wst的最大值max[Wst]；獲得全部消能器的耗散能量的總和ΣWcj；計(jì)算得到消能減震結(jié)構(gòu)消能器的附加有效阻尼比§a；評(píng)定消能器的附加有效阻尼比§a是否大于或等于消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)設(shè)定的附加有效阻尼比；本發(fā)明在獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果的過(guò)程中不斷優(yōu)化消能器的數(shù)量和位置，使消能器選用及布置得當(dāng)，滿足更大程度耗散地震能量要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目的，降低了工程造價(jià)成本。
【專利說(shuō)明】消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑結(jié)構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】中的消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析技術(shù)，特別是涉及一種消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的抗震主要通過(guò)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在地震中出現(xiàn)損壞來(lái)消耗地震能量，而結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的嚴(yán)重?fù)p壞就是地震能量的轉(zhuǎn)換或者消耗過(guò)程。近年來(lái)，隨著我國(guó)地震頻發(fā)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)遭受?chē)?yán)重破壞，危害著人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。由于目前對(duì)結(jié)構(gòu)“硬抗”地震的機(jī)制難以到達(dá)有效的控制要求，因此“軟抗”地震的方式一消能減震技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中逐漸廣泛應(yīng)用，它對(duì)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)和生命線工程有著重大意義。
[0003]消能減震技術(shù)是一種在建筑結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器來(lái)耗散地震能量的被動(dòng)控制技術(shù)。消能減震結(jié)構(gòu)包括主體結(jié)構(gòu)和消能部件，消能部件由消能器和用于主體結(jié)構(gòu)連接消能器的構(gòu)件組成。消能器通過(guò)內(nèi)部材料或與構(gòu)件之間的摩擦，利用彈塑性滯回變形或黏(彈)性滯回變形來(lái)耗散或吸收地震能量。簡(jiǎn)而言之，消能減震技術(shù)就是通過(guò)在建筑結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置消能器，通過(guò)其變形來(lái)耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，以減小對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。常用的消能器有位移相關(guān)型消能器、速度相關(guān)型消能器和復(fù)合型消能器
坐寸ο
[0004]在消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是要充分發(fā)揮消能器的耗能特性，這就要求合理選用和布置消能器，而衡量消能器耗能能力的技術(shù)指標(biāo)就是消能器的附加有效阻尼比。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)給出了消能器附加有效阻尼比的確定原則及原理，它是從能量角度出發(fā)，附加有效阻尼比采用消能器在地震作用下產(chǎn)生形變所吸收的能量與設(shè)置消能器后建筑結(jié)構(gòu)總地震變形能的比值來(lái)表征，其估算公式為:
[0005]ξ a = Σ Wcj/ (4 3i Ws)(公式 I)
[0006]式中:ξ a為消能器的附加有效阻尼比^為第j個(gè)消能器在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Auj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量;WS為設(shè)置消能器的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。
[0007]不計(jì)扭轉(zhuǎn)影響時(shí)，消能減震結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的總應(yīng)變能Ws，可按下式估算:Ws = (1/2) XFiUi (公式 2)
[0008]式中$為質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，Ui為質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移。
[0009]位移相關(guān)型和速度非線性相關(guān)型消能器在水平地震作用下往復(fù)一周所消耗的能量，可按下式估算:
[0010]Wcj = Aj (公式 3)
[0011]式中-Ai為第j個(gè)消能器的恢復(fù)力滯回環(huán)在相對(duì)水平位移時(shí)的面積。
[0012]可見(jiàn)，采用合理可靠的取值計(jì)算方法計(jì)算消能器的附加有效阻尼比是衡量消能減震結(jié)構(gòu)中消能器選用及布置得當(dāng)?shù)囊罁?jù)，然而，《抗規(guī)》中并未給出附加有效阻尼比的具體取值計(jì)算方法，尤其是消能減震結(jié)構(gòu)在彈塑性時(shí)程分析后如何從紛繁的數(shù)據(jù)中選擇恰當(dāng)?shù)牟糠忠膊⑽唇o出相關(guān)教導(dǎo)。而《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》JGJ297-2013中消能器附加有效阻尼比的取值計(jì)算方法也僅僅提到了包絡(luò)的計(jì)算方法一包絡(luò)法:
[0013](I)在消能減震結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析中，計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能，即是主體結(jié)構(gòu)的各樓層假定為剛性樓板的情況下，從有限元軟件中提取各樓層層間剪力最大值作為其Fi值，各樓層層間位移最大值作為Ui,根據(jù)公式2計(jì)算出Ws值；
[0014](2)第j個(gè)消能器的恢復(fù)力滯回環(huán)在相對(duì)水平位移Auj時(shí)的面積為Aj，提取滯回曲線有限元分析數(shù)據(jù)，并計(jì)算其最大滯回圈面積即為~，通過(guò)求和得到SWej ；
[0015](3)由以上得出的Ws和SWej，根據(jù)公式I計(jì)算得到消能器的附加有效阻尼比。
[0016]但是，消能減震結(jié)構(gòu)中消能器的附加有效阻尼是時(shí)變阻尼，每個(gè)消能減震結(jié)構(gòu)的附加阻尼是一個(gè)時(shí)變參數(shù)，而且消能減震結(jié)構(gòu)在彈塑性時(shí)程分析時(shí)其響應(yīng)是隨著地震波加速度的變化而變化的，這就使得消能器的耗能具有時(shí)變性。而采用包絡(luò)法計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)變能時(shí)，樓層剪力和樓層位移均取地震反應(yīng)的最大值，所以應(yīng)變能計(jì)算所得為包絡(luò)值，消能器耗能是取滯回曲線最外一圈面積值，所取的值是消能器耗能實(shí)際包絡(luò)值，因此，包絡(luò)法的計(jì)算過(guò)程雖然簡(jiǎn)單便捷，但是計(jì)算結(jié)果比較保守，準(zhǔn)確度較差。
[0017]如何在消能減震結(jié)構(gòu)有限元的彈塑性時(shí)程分析后對(duì)消能器附加有效阻尼比采用合理的取值計(jì)算方法，以得到較為準(zhǔn)確的附加有效阻尼比，從而進(jìn)一步優(yōu)化消能器的布置和數(shù)量，是目前消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度、對(duì)消能器的位置和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化以降低造價(jià)成本的消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法。
[0019]本發(fā)明的目的通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法，具體包括以下步驟:
[0020]⑴對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元彈塑性時(shí)程分析，即先在有限元模擬計(jì)算平臺(tái)上建立主體結(jié)構(gòu)的有限元模型，在主體結(jié)構(gòu)的有限元模型上施加重力荷載，再加載地震波；
[0021]⑵根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的各樓層的層間位移和層間剛度，初步確定消能器的數(shù)量和布置位置，將消能器布置在主體結(jié)構(gòu)的有限元模型中，形成消能減震結(jié)構(gòu)的有限元模型；
[0022]⑶在消能減震結(jié)構(gòu)的有限元模型上施加重力荷載,再加載地震波；
[0023]⑷計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能，即假定主體結(jié)構(gòu)的各樓層為剛性樓板，提取對(duì)應(yīng)于地震波各時(shí)刻點(diǎn)的樓層層間剪力值Fit和樓層層間位移值Uit ；
[0024](5)將由步驟⑷所得的同一時(shí)刻點(diǎn)的各樓層層間剪力值Fit與各樓層層間位移值Uit相乘，對(duì)所得的所有時(shí)刻點(diǎn)的乘積值求和后，取其1/2，獲得消能減震結(jié)構(gòu)在地震波各時(shí)刻點(diǎn)的總應(yīng)變能Wst，并取總應(yīng)變能Wst的最大值maX[Wst]；
[0025](6)分析得到各消能器進(jìn)入屈服耗能階段的滯回曲線，計(jì)算各滯回曲線最大滯回圈面積~，即作為各消能器的耗散能量，再對(duì)各消能器的耗散能量求和，獲得全部消能器的耗散能量的總和2W?！?；
[0026](7)根據(jù)以下公式:
[0027]Ia= Σ Wcj/ (4 η.max [Wst ])
[0028]計(jì)算得到消能減震結(jié)構(gòu)消能器的附加有效阻尼比§a;單塑性時(shí)程分析后，全部消能器的耗散能量.過(guò)先計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)在地震波各時(shí)刻點(diǎn)[獲得消能減震結(jié)構(gòu)消能器的附加有效阻尼辱到比現(xiàn)有包絡(luò)法較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，本:寸消能器的數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化，使消能器I:的要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)約的目的，降低面言，可適當(dāng)采用本發(fā)明計(jì)算附加有效阻尼
)中，各消能器的耗散能量通過(guò)在有限元模I到。
效阻尼比5 3超過(guò)25%，以25%取值。根據(jù)I:按25%取值。
過(guò)也震波至少為三條，所述地震波為天然波勺2/3，所述人工波的數(shù)量占地震波總數(shù)的
震波時(shí)，地震波主方向、次方向和2向的幅降低消能器的使用造價(jià)。
[0042]⑶本發(fā)明根據(jù)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果可以對(duì)消能器的數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化，使消能器選用及布置得當(dāng)，在滿足更大程度耗散地震能量的要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)約之目的。
[0043]⑷以包絡(luò)設(shè)計(jì)原則和計(jì)算效率而言，在結(jié)構(gòu)項(xiàng)目運(yùn)行階段均可適當(dāng)采用本發(fā)明計(jì)算附加有效阻尼比。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0044]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0045]圖1是本發(fā)明消能器布置平面圖；
[0046]圖2是本發(fā)明消能器布置立面圖；
[0047]圖3是本發(fā)明消能器布置結(jié)構(gòu)圖；
[0048]圖4是地震波為天然波一的加速度時(shí)程曲線圖；
[0049]圖5是地震波為天然波二的加速度時(shí)程曲線圖；
[0050]圖6是地震波為人工波的加速度時(shí)程曲線圖；
[0051]圖6a是天然波一下消能器的滯回曲線圖；
[0052]圖7是天然波一下結(jié)構(gòu)應(yīng)變能隨時(shí)程變化曲線圖；
[0053]圖8是天然波二下O?6.6s結(jié)構(gòu)應(yīng)變能變化曲線圖；
[0054]圖9是天然波二下結(jié)構(gòu)應(yīng)變能隨時(shí)程變化曲線圖；
[0055]圖10是人工波下O?2.6s結(jié)構(gòu)應(yīng)變能變化曲線圖；
[0056]圖11是人工波下結(jié)構(gòu)應(yīng)變能隨時(shí)程變化曲線圖；
[0057]圖12是天然波一下BRB結(jié)構(gòu)、分別采用包絡(luò)法及本發(fā)明的樓層層間剪力變化曲線圖；
[0058]圖13是天然波一下BRB結(jié)構(gòu)、分別采用包絡(luò)法及本發(fā)明的樓層層間位移角變化曲線圖；
[0059]圖14是天然波二下BRB結(jié)構(gòu)、分別采用包絡(luò)法及本發(fā)明的樓層層間剪力變化曲線圖；
[0060]圖15是天然波二下BRB結(jié)構(gòu)、分別采用包絡(luò)法及本發(fā)明的樓層層間位移角變化曲線圖；
[0061]圖16是人工波下BRB結(jié)構(gòu)、分別采用包絡(luò)法及本發(fā)明的樓層層間剪力變化曲線圖；
[0062]圖17是人工波下BRB結(jié)構(gòu)、分別采用包絡(luò)法及本發(fā)明的樓層層間位移角變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0063]如圖1?3所示，在本實(shí)施例中，鋼結(jié)構(gòu)工程為帶巨型轉(zhuǎn)換桁架-鋼框架-支撐筒結(jié)構(gòu)，建筑高度約100m，平面為回字形，尺寸為IOOmX 100m，結(jié)構(gòu)高寬比為100/69.6=1.44，主樓采用4個(gè)水平截面為L(zhǎng)型的支撐筒I形成豎向支撐體系，支撐筒I靠近建筑平面角部布置。L型支撐筒I尺寸為18mX 18m,支撐筒I之間結(jié)構(gòu)跨度33.6m,該結(jié)構(gòu)L型支撐筒I外側(cè)布置相應(yīng)的BRB (是位移相關(guān)型消能器的一種)形成BRB消能減震結(jié)構(gòu)，具體是BRB布置在L型支撐筒的柱體11和梁12之間。工程抗震設(shè)防烈度為7度，III類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第I組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.lg，特征周期0.45s，安評(píng)提供特征周期為0.48s,抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。
[0064]BRB在受拉和受壓時(shí)均能達(dá)到屈服而不屈曲，經(jīng)合理設(shè)計(jì)可具有高剛度和良好滯回耗能能力，并具有同心斜撐和滯回耗能元件特點(diǎn)。本實(shí)施例BRB的總體布置原則與普通支撐的布置原則類似:如圖1所示，在平面布置上，BRB的布置使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性相近，盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心重合，減小扭轉(zhuǎn)地震效應(yīng)；如圖2所示，在立面布置上，避免因局部的剛度削弱或突變形成薄弱部位，造成過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。本實(shí)施例選用兩種型號(hào)BRB，選用屈服強(qiáng)度均為235Mpa的防屈曲耗能支撐，屈強(qiáng)比為0.8,具體參數(shù)如表1所示:
【權(quán)利要求】
1.一種消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法，具體包括以下步驟: ⑴對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元彈塑性時(shí)程分析，即先在有限元模擬計(jì)算平臺(tái)上建立主體結(jié)構(gòu)的有限元模型，在主體結(jié)構(gòu)的有限元模型上施加重力荷載，再加載地震波； ⑵根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的各樓層的層間位移和層間剛度，初步確定消能器的數(shù)量和布置位置，將消能器布置在主體結(jié)構(gòu)的有限元模型中，形成消能減震結(jié)構(gòu)的有限元模型； ⑶在消能減震結(jié)構(gòu)的有限元模型上施加重力荷載，再加載地震波； ⑷計(jì)算消能減震結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能，即假定主體結(jié)構(gòu)的各樓層為剛性樓板，提取對(duì)應(yīng)于地震波各時(shí)刻點(diǎn)的樓層層間剪力值Fit和樓層層間位移值Uit ； (5)將由步驟⑷所得的同一時(shí)刻點(diǎn)的各樓層層間剪力值Fit與各樓層層間位移值Uit相乘，對(duì)所得的所有時(shí)刻點(diǎn)的乘積值求和后，取其1/2，獲得消能減震結(jié)構(gòu)在地震波各時(shí)刻點(diǎn)的總應(yīng)變能Wst，并取總應(yīng)變能Wst的最大值maX[Wst]； (6)分析得到各消能器進(jìn)入屈服耗能階段的滯回曲線，計(jì)算各滯回曲線最大滯回圈面積Aj,即作為各消能器的耗散能量，再對(duì)各消能器的耗散能量求和，獲得全部消能器的耗散能量的總和； (7)根據(jù)以下公式:
ξ a = xWcj/(4 31.max [Wst]) 計(jì)算得到消能減震結(jié)構(gòu)消能器的附加有效阻尼比§ a ; ⑶評(píng)定由步驟(7)得到的消能器的附加有效阻尼比§ a是否大于或等于消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)設(shè)定的附加有效阻尼比； a)如是，所獲得的消能器的附加有效阻尼比§3即作為確定的消能器的附加有效阻尼比； b)如不是，則進(jìn)入 步驟⑶； ⑶調(diào)整消能器的數(shù)量和布置位置，再重復(fù)步驟⑷~(8)，直到使消能器的附加有效阻尼比§a大于或等于消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)設(shè)定的附加有效阻尼比為止，最終確定消能器的附加有效阻尼比。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法，其特征在于:在步驟(6)中，各消能器的耗散能量通過(guò)在有限元模擬計(jì)算平臺(tái)上建立的各消能器的滯回模型分析得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法，其特征在于:在步驟⑴中，若消能器的附加有效阻尼比§ a超過(guò)25%，以25%取值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法，其特征在于:所述地震波至少為三條，所述地震波為天然波或者人工波，所述天然波的數(shù)量占地震波總數(shù)的2/3，所述人工波的數(shù)量占地震波總數(shù)的1/3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的消能減震結(jié)構(gòu)消能器附加有效阻尼比的取值方法-綜合法，其特征在于:在加載地震波時(shí)，地震波主方向、次方向和Z向的幅值按照1:0.85:0.65三向加載。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103838918SQ201410041944
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】區(qū)彤, 徐昕, 譚堅(jiān), 陳星 , 張連飛, 焦柯, 林家豪, 郭偉佳 申請(qǐng)人:廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院