基于目標(biāo)附加有效阻尼比的消能減震結(jié)構(gòu)消能器綜合優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)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)，特別是設(shè)及一 種基于目標(biāo)附加有效阻尼比的消能減震結(jié)構(gòu)消能器綜合優(yōu)化方法。
【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W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(xiàn)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)就是在建筑主體結(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，W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 等。
[0004] 消能減震結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)是針對(duì)整體結(jié)構(gòu)、局部結(jié)構(gòu)、消能部件、關(guān)鍵部位、重 要構(gòu)件、次要構(gòu)件等設(shè)定相應(yīng)的性能目標(biāo)，根據(jù)設(shè)定的性能目標(biāo)對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 設(shè)計(jì)，而在消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵是要合理的選用和布置消能器，最大限度的發(fā)揮消能 器的耗能特性，衡量消能器耗能能力的性能指標(biāo)就是其附加有效阻尼比。消能器的目標(biāo)附 加有效阻尼比即是消能器的耗能性能目標(biāo)，消能器的類(lèi)型、選用數(shù)量、布置形式及布置位置 都會(huì)影響消能器整體耗能特性，進(jìn)而影響其性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
[0005] 在消能減震結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)中，消能器的選用和布置基本能滿(mǎn)足目標(biāo)附加有效 阻尼比的要求，但往往存在消能部件類(lèi)型選用不合理、數(shù)量使用過(guò)多、布置形式及位置不合 理的缺陷，W增加消能器的數(shù)量來(lái)?yè)Q取其工作質(zhì)量，造成消能器在消能減震結(jié)構(gòu)中處于低 效率的工作狀態(tài)，運(yùn)就需要對(duì)消能器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即選擇合理的消能器類(lèi)型、確定其數(shù) 量、布置形式及位置，從而實(shí)現(xiàn)消能器抗震性能目標(biāo)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)合理性。
[0006] 目前，現(xiàn)有的消能減震結(jié)構(gòu)的性能化優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的是基于位移性能目標(biāo)的消能 器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它基本W(wǎng)建筑主體結(jié)構(gòu)的各樓層的層間位移或?qū)娱g位移角作為性能目 標(biāo)，從而對(duì)消能器進(jìn)行優(yōu)化控制，設(shè)定多種消能器布置方案，使主體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足并逐步逼近小 震、中震及大震設(shè)定的各級(jí)位移性能目標(biāo)，從中確定一種消能器的布置方案。
[0007] 然而，運(yùn)種消能減震結(jié)構(gòu)的性能化優(yōu)化設(shè)計(jì)存在W下缺陷：
[000引（1)它從建筑主體結(jié)構(gòu)的位移宏觀(guān)參數(shù)指標(biāo)出發(fā)，其實(shí)質(zhì)目的是控制消能減震結(jié)構(gòu) 的變形，消能器的優(yōu)化僅僅只是調(diào)整消能器的布置位置，很少設(shè)及甚至沒(méi)有對(duì)消能器的數(shù) 量和布置形式方面進(jìn)行優(yōu)化，造成消能器在消能減震結(jié)構(gòu)中處于低效率的工作狀態(tài)，雖然 能基本達(dá)到消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中消能器設(shè)計(jì)的技術(shù)性指標(biāo)，但是無(wú)法滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
[0009] 間它的實(shí)質(zhì)目的是控制消能減震結(jié)構(gòu)的變形，因此，運(yùn)種優(yōu)化方法只限于具有層 概念的多層及高層建筑，而并不適用于無(wú)絕對(duì)層概念的大型公共建筑，如大型體育場(chǎng)館、機(jī) 場(chǎng)、車(chē)站等，所W不能適用于所有的建筑形式。
[0010] 間它沒(méi)有從消能器本身的耗能特性出發(fā)，忽略了消能減震結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)其結(jié) 構(gòu)反應(yīng)的變化是由于消能器耗散地震能量而提供附加有效阻尼比的原因，而僅是基于結(jié)構(gòu) 位移參數(shù)進(jìn)行消能器的優(yōu)化，如此，使得消能減震結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn) 的不夠充分，也未能體現(xiàn)消能器優(yōu)化的本質(zhì)特征，造成消能器的優(yōu)化效率低，且優(yōu)化效果不 明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于提供一種消能器選用和布置合理、降低造價(jià)成本、適用于具有 建筑結(jié)構(gòu)層概念特點(diǎn)的多層、高層及超高層建筑形式、能夠?qū)崿F(xiàn)消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中消能 器設(shè)計(jì)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、提高消能器優(yōu)化效率的基于目標(biāo)附加有效阻尼比的消能減 震結(jié)構(gòu)消能器綜合優(yōu)化方法，W此作為分析設(shè)計(jì)人員對(duì)消能器設(shè)計(jì)的依據(jù)。
[0012] 本發(fā)明的目的通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種基于目標(biāo)附加有效阻尼比的消能 減震結(jié)構(gòu)消能器綜合優(yōu)化方法，具體包括W下步驟：
[0013] (1)選定用于主體結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析的地震波；
[0014] 間設(shè)定主體結(jié)構(gòu)罕遇地震作用時(shí)的消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)和要求，對(duì)主體結(jié)構(gòu)不 設(shè)置消能器，在第i條地震波的作用下，其中，i = l，2,3,…，n，n為地震波的數(shù)量，對(duì)主體結(jié) 構(gòu)反復(fù)迭加附加有效阻尼比進(jìn)行罕遇地震的彈塑性時(shí)程分析，直至迭加了附加有效阻尼比 后的主體結(jié)構(gòu)在該條地震波作用時(shí)能夠滿(mǎn)足消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)和要求，該迭加的附加 有效阻尼比即為對(duì)應(yīng)于第i條地震波的目標(biāo)附加有效阻尼比Caim(i);
[0015] 間對(duì)每條地震波作用時(shí)的目標(biāo)附加有效阻尼比Caim(i)求均值，得到主體結(jié)構(gòu)的目 標(biāo)實(shí)際附加有效阻尼比Caim:
[0016]
公式①
[0017] 式中：η為地震波的數(shù)量；
[0018] (4)初步確定消能器的類(lèi)型、布置位置、形式及數(shù)量，并將消能器布置在主體結(jié)構(gòu)中 形成消能減震結(jié)構(gòu)；
[0019] 間在每條地震波的作用下，對(duì)消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震的彈塑性時(shí)程分析：
[0020] ①若消能減震結(jié)構(gòu)在第i條地震波作用時(shí)能夠滿(mǎn)足消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)和要 求，轉(zhuǎn)入步驟做；
[0021] ②若消能減震結(jié)構(gòu)在第i條地震波作用時(shí)不能滿(mǎn)足消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)和要 求，調(diào)整消能器類(lèi)型、布置位置、形式和數(shù)量，直至消能減震結(jié)構(gòu)在該條地震波作用時(shí)能夠 滿(mǎn)足消能減震結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)和要求，轉(zhuǎn)入步驟做；
[0022] 做計(jì)算第i條地震波作用時(shí)的消能器的附加有效阻尼比ξΕ(ι):
[002；3] ξΕ(υ= Xlmax(Wcj(i))/[43T · max(Wst(i))] 公式②
[0024] 式中：ξκω為第i條地震波作用時(shí)消能器的附加有效阻尼比;Ww(i)為第j個(gè)消能部 件在第i條地震波作用時(shí)結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移Auw)下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量，取最大 滯回環(huán)面積;Wst(i)為消能減震結(jié)構(gòu)在第i條地震波作用時(shí)t時(shí)刻預(yù)期位移下的總應(yīng)變能;max (Wst(i))為消能減震結(jié)構(gòu)在第i條地震波作用時(shí)t時(shí)刻預(yù)期位移下的最大總應(yīng)變能；
[0025] 例對(duì)每條地震波作用時(shí)的消能器的附加有效阻尼比ξΕ(ι)求均值，得到消能器的實(shí) 際附加有效阻尼比寫(xiě)3:
[0026]
公式③
[0027] 式中：η為地震波的數(shù)量；
[00%]腳比較消能器的實(shí)際附加有效阻尼比ξ。和主體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)實(shí)際附加有效阻尼比 Caim ：
[0029] ①若根據(jù)天然波計(jì)算所得的Ca<0.65Caim;若根據(jù)人工波計(jì)算所得的Ca<0.8Caim，轉(zhuǎn) 入步驟(9);
[0030] ②若根據(jù)天然波計(jì)算所得的Ca>l . 1 X0.65Caim;若根據(jù)人工波計(jì)算所得的Ca>l . 1 X 0.8Caim, 轉(zhuǎn)入步驟(10);
[0031] ③若根據(jù)天然波計(jì)算得到：0.65Caim < ξ。< 1 . 1 X 0.65Caim;若根據(jù)人工波計(jì)算得 到：0.8Caim<Ca< 1.1Χ0.8ξ aim? 轉(zhuǎn)入步驟(11);
[0032] (9廬新布置消能器及增加消能器的數(shù)量，重復(fù)步驟間~腳，直至根據(jù)天然波計(jì)算 得到：0.65Caim ^ 寫(xiě)3 ^ 1 . 1 X 0.65Caim;根據(jù)人工波計(jì)算得到：0.8Caim ^ 寫(xiě)3 ^ 1 . 1 X 0.8Caim,轉(zhuǎn)入 步驟(11);
[0033] (10)調(diào)整消能器的位置并減少消能器的數(shù)量，重復(fù)步驟間~腳，直至根據(jù)天然波計(jì) 算得到：0.65Caim ^