CN103899000A - 一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法，该方法包括以下步骤：(1)筛选结构中适于布置粘滞阻尼器的区格；(2)采用非线性时程法或动力弹塑性时程法对结构进行分析，计算步骤(1)筛选出的区格中任意两节点的速度，包括各步长下的水平速度及竖向速度；(3)计算出区格各步长下的广义剪切速度；对每个区格所有时间点的广义剪切速度取绝对值的平均值，获得各区格的平均广义剪切速度；(4)将所有区格按照平均广义剪切速度大小进行排序；(5)根据所期望的阻尼器布置效果，按照广义剪切速度的大小顺序布置粘滞阻尼器。与现有技术相比，本发明具有计算效率高、优化效果好、操作简便等优点。

Description

一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其是涉及一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法。

背景技术

现如今，世界超高层高度不断提高，内部结构日趋复杂，给结构工程师带来了巨大的挑战，超高层建筑抗震设计问题亟待解决。随着耗能减震装置在工程中运用的逐渐广泛，粘滞阻尼器因其耗能效果好、受环境影响低、使用年限长等特点，正成为抗震设计中重要发展方向。粘滞阻尼器耗能机制是当流体通过空隙时产生粘滞阻尼力，进而耗散地震作用，提供附加阻尼比，降低结构的地震作用反应。

目前，粘滞阻尼器的布置方式主要是根据工程经验以及通用的布置原则。例如布置在层间位移角较大处。这种布置方式存在一定的缺点，首先，在超高层建筑中结构极为复杂，而要想找到相对较优的布置方式，需要花费大量的时间。其次，超高层建筑结构变形主要由水平荷载控制，水平荷载下在结构高区的层间位移以弯曲变形为主，而剪切变形较小，变形形式为弯剪型。而位移角对用来反应以剪切变形为主的剪切型结构层间变形较为合理。再次，粘滞阻尼器是速度相关型的耗能器，通过层间位移来判断粘滞阻尼器的布置方式也是欠妥当的。

目前有学者提出了广义剪切变形的概念，来更好地反应弯剪型结构的受力特征。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算效率高、优化效果好、操作简便的基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法，该方法包括以下步骤：

(1)筛选结构中适于布置粘滞阻尼器的区格；

(2)采用非线性时程法或动力弹塑性时程法对结构进行分析，计算步骤(1)筛选出的区格中任意两节点的速度，包括各步长下的水平速度及竖向速度；

(3)根据如下公式计算出区格各步长下的广义剪切速度：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{U}}{L}-\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{V}}{H}$

式中，

为区格中A、B两节点水平速度差，

为区格中A、B两节点竖向速度差，L为区格竖向高度，H为区格的水平长度；

对每个区格所有时间点的广义剪切速度取绝对值的平均值，获得各区格的平均广义剪切速度；

(4)将所有区格按照平均广义剪切速度大小进行排序；

(5)根据所期望的阻尼器布置效果，按照广义剪切速度的大小顺序布置粘滞阻尼器。

所述的粘滞阻尼器的布置形式包括斜向型、人字型、剪刀型或套索型。

所述的粘滞阻尼器布置在结构的加强层。

所述的阻尼器布置效果包括附加阻尼比和结构响应。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明针对广义剪切速度与粘滞阻尼器的耗能之间的联系，根据区格的广义剪切速度大小布置粘滞阻尼器，本发明方法具有工程应用的可操作性，更好地满足工程建筑发展需要；

2、本发明采用非线性时程方法计算结构区格的广义剪切速度，来判断动力分析下粘滞阻尼器的耗能情况，则能较快找到粘滞阻尼器布置的最优位置，节省运算时间，提高设计效率。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明实施例1中某10层框架的三维模型图；

图3为本发明实施例1中某10层框架的平面布置图；

图4为本发明实施例1中区格剪切速度计算取点示意图；

图5为本发明实施例1中10层框架结构区格平均广义剪切速度；

图6为本发明实施例1中粘滞阻尼器布置形式；

图7为本发明实施例2中2轴环带桁架立面图；

图8为本发明实施例2中粘滞阻尼器布置形式；

图9为本发明实施例2中某地震波下的最大层间位移角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法，该方法包括以下步骤：

(1)筛选结构中适于布置粘滞阻尼器的区格；

(2)对结构进行非线性时程法分析，计算步骤(1)筛选出的区格中任意两节点的速度，包括各步长下的水平速度及竖向速度；

(3)根据如下公式计算出区格各步长下的广义剪切速度：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{U}}{L}-\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{V}}{H}$

式中，

为区格中A、B两节点水平速度差，

为区格中A、B两节点竖向速度差，L为区格竖向高度，H为区格的水平长度；

对每个区格所有时间点的广义剪切速度取绝对值的平均值，获得各区格的平均广义剪切速度；

(4)将所有区格按照平均广义剪切速度大小进行排序；

(5)根据所期望的阻尼器布置效果，按照广义剪切速度的大小顺序布置粘滞阻尼器。所述的阻尼器布置效果包括附加阻尼比和结构响应等。首先根据期望达到的附加阻尼比、结构响应以及粘滞阻尼器的参数等决定粘滞阻尼器所需个数，然后对广义剪切速度排在前几位的区格布置粘滞阻尼器。布置形式包括斜向型、人字型、剪刀型或套索型。粘滞阻尼器布置在结构的加强层，具体位置需根据建筑要求以及使用功能决定。

以一10层三跨框架为例，如图2所示。层高均为3m，共10层，结构体系采用框架结构。结构平面为18m×18m，如图3所示。边柱1200mm×1200mm，中柱400mm×400mm，所有梁为200mm×400mm。地震波采用X向输入，最大加速度输入35gal，步长0.02s，时长4s。在结构中任取一榀框架进行研究。

采用非线性时程分析法对结构进行分析，对每个区格在每一步长下计算其广义剪切速度，并对所有时间点的剪切速度取绝对值的平均值。例如，计算第8层区格剪切速度时，取A1、A2两点进行计算，如图4所示。

经过计算，比较各区格的广义剪切速度的平均值，并将其从大到小进行排序，如表1所示，广义剪切速度在4层处达到最大，其次是3层、5层、6层。图5所示，可以直观地观察出平均广义剪切速度随楼层的变化趋势。

表1区格广义剪切速度排序(单位：mm/s)

在相同区格布置粘滞阻尼器进行研究，阻尼器参数设置为，阻尼系数C＝200kN/(m/s)^0.3，阻尼器指数α＝0.3，刚度设为较大值K＝2.0×10⁵kN/m。布置形式单向斜撑型，如图6所示。每次分别布置一道、两道、三道粘滞阻尼器在区格中，用非线性时程法进行分析，分析参数选用和计算广义剪切速度时相同。

表2不同道数粘滞阻尼器耗能排序(单位：J)一

如表2所示，布置一道阻尼器时，其耗能与对应区格的平均广义剪切速度的排序基本一致。分别布置二道阻尼器和三道阻尼器时，耗能最大的布置方式为平均广义剪切速度排序的前两位及前三位区格，即验证了先前的理论。故证明了用广义剪切速度来判断粘滞阻尼器的最优布置是合理可行的。

实施例2

本实施例采用某284米超高层建筑，结构标准层高度为4.2m，地上建筑共68层，结构体系为型钢混凝土框架-核心筒体系。

抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为III类。结构中设置了4道环带桁架，是主要抗侧力体系之一。对结构采用动力弹塑性时程法进行分析，动力时程波采用适合本模型场地类别的某天然波，采用X单向输入，加速度时程最大值设为220gal，步长为0.02s，时长设为8s。

考虑到粘滞阻尼器的布置通常会对建筑要求以及使用功能等造成影响，故本实例研究选用的区格为2轴10层、38层、52层环带桁架所在的区格，一共15个区格。为了便于区格的命名，例如将AB跨52层的区格命名为52AB，如图7所示。

首先，对结构进行时程分析，计算各个区格的平均广义剪切速度，并进行排序，如表3所示。

将广义剪切速度排序的前五位区格布置5道粘滞阻尼器，阻尼器参数设置为，阻尼系数C＝4000kN/(m/s)^0.3，阻尼指数为α＝0.3，刚度K＝4.0×10⁸kN/m。布置形式为单向斜撑型，如图8所示。

对其进行时程分析，并计算其耗能，计算结果见表4。

对原有结构采用传统布置粘滞阻尼器的方法，即布置在层间位移角较大处。如图9，即将5道粘滞阻尼器布置在38层环带桁架处。并计算其耗能，计算结果见表4。

通过表4，对比两方案的耗能，显然通过区格广义剪切速度所布置的粘滞阻尼器方案要优于传统方案。

表3区格广义剪切速度排序(单位：mm/s)

表4区格广义剪切速度排序(单位：J)

Claims (4)

1.一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)筛选结构中适于布置粘滞阻尼器的区格；

(2)采用非线性时程法或动力弹塑性时程法对结构进行分析，计算步骤(1)筛选出的区格中任意两节点的速度，包括各步长下的水平速度及竖向速度；

(3)根据如下公式计算出区格各步长下的广义剪切速度：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{U}}{L}-\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{.}{V}}{H}$

式中，

为区格中A、B两节点水平速度差，

为区格中A、B两节点竖向速度差，L为区格竖向高度，H为区格的水平长度；

对每个区格所有时间点的广义剪切速度取绝对值的平均值，获得各区格的平均广义剪切速度；

(4)将所有区格按照平均广义剪切速度大小进行排序；

(5)根据所期望的阻尼器布置效果，按照广义剪切速度的大小顺序布置粘滞阻尼器。

2.根据权利要求1所述的一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法，其特征在于，所述的粘滞阻尼器的布置形式包括斜向型、人字型、剪刀型或套索型。

3.根据权利要求1所述的一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法，其特征在于，所述的粘滞阻尼器布置在结构的加强层。

4.根据权利要求1所述的一种基于广义剪切速度的粘滞阻尼器布置方法，其特征在于，所述的阻尼器布置效果包括附加阻尼比和结构响应。

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