CN104695544A - 一种混合减震结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程技术领域，提供了一种混合减震结构的设计方法，包括如下步骤：将房屋结构的底部楼层作为隔震层，并调整隔震层的高度或抗侧构件截面尺寸，使隔震层基本周期与场地特征周期相匹配，然后安装减震装置在所述隔震层上，以获得好的减震效果；将防屈曲支撑布置在所述隔震层以上楼层，优先布置在房屋的四角，以减小偶然偏心的影响。本发明的混合减震结构的设计方法，解决了传统方法所需消能装置数量大，导致建筑空间利用效率低、建筑成本高的问题。

Description

一种混合减震结构的设计方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种消能减震结构的设计方法，更具体地涉及一种考虑偶然偏心的混合减震结构的设计方法。

背景技术

近年来，对地震高烈度区的建筑结构采用消能减震方式进行保护已成为结构设计师的优先选项。但目前的减震结构设计相对保守，考虑到地震作用的不确定性，设计师通常将各种消能减震装置安装在所有可以安装的位置，并依据选择的目标性能决定所需消能装置的数量，以便对结构更好的保护。于是常常将消能装置安装在建筑物每层房间之间的隔墙内，以及结构周边。

这种较为保守的减震结构的设计方法，存在两点不足：1)所需消能装置的数量较大，而使建筑成本有较大幅度提高；2)在结构中安装较多的消能减震装置会影响建筑空间的利用效率。

因此，需要针对减少结构中所需消能部件的数量，以及该种结构对建筑空间的不利影响的问题，对消能减震结构的优化设计展开更深入的研究。虽然研究取得了一定的成果，也提出了一些优化方法，如基于梯度优化方法、基于遗传算法的优化方法等等。但这些方法很难被设计师掌握，因而很少应用于工程实际，其原因如下：1、是需要结构工程师具有较深的专业基础，2、相关研究中常常基于一些假定，将复杂问题简单化后进行设计研究，但是实际工程结构复杂，需要考虑偏心、偶然偏心等因素的影响。

现有技术中，公开了一种基于基础隔震理论提出的消能减震结构的优化设计方法，运用该方法只需将粘滞阻尼器安装在结构底部2层或3层就可取得较好的减震效果，而且操作简单、容易被结构设计师掌握。这种方法的主要原理为通过调整结构底部2-3层的层高，使底部2层或3层的固有频率ω_n与场地特征频率ω相等或接近。但该方法主要针对规则结构，并忽略了偶然偏心的影响。实际工程即使规则对称，但也会存在偶然偏心，因此直接应用该方法减震效果不如预期，所以必须采取策略提高减震结构抗扭刚度，减小偶然偏心的影响。

因此，针对以上不足，需要提供一种考虑偶然偏心的混合减震结构的设计方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种混合减震结构的设计方法，解决传统方法所需消能装置数量大，导致建筑空间利用效率低、建筑成本高的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种混合减震结构的设计方法，包括如下步骤：

S1、将房屋结构的底部楼层作为隔震层，并调整隔震层的高度或抗侧构件截面尺寸，使隔震层基本周期与场地特征周期相匹配，然后安装减震装置在所述隔震层上，以获得减震效果；

S2、在隔震层以上楼层布置防屈曲支撑，以减小偶然偏心的影响。

优选的，前述步骤S1具体为：

当隔震层的层高可以改变时：选择房屋结构的底部两层为隔震层，当抗侧力构件的材料强度、截面尺寸确定后，通过振型分析计算出隔震层层高，振型分析计算公式为：

$|k_b-{\mathrm{\ω}}_n^2{m}_b|=0$

其中，k_b为隔震层的刚度矩阵；m_b为隔震层的质量矩阵；ω_n为隔震层的固有频率；

当隔震层的层高受到限制或不可改变时：改变抗侧力构件的材料强度和截面尺寸，并调整隔震层楼层的数量。

优选的，前述步骤S2具体为：

将防屈曲支撑安装在隔震层以上的楼层，防屈曲支撑的滞回耗能性能由内核芯材决定，防屈曲支撑内核芯材面积由所需防屈曲支撑抗侧移刚度确定，其抗侧移刚度计算公式为：

其中，E为芯材弹性模量，A为芯材截面积，θ为防屈曲支撑与框架梁的夹角，h为层高。

优选的，前述防屈曲支撑的数量根据减震结构的目标性能由平扭周期比和弹塑性时程分析确定。

优选的，前述减震装置为黏性液体阻尼器。

优选的，前述防屈曲支撑布置在隔震层以上楼层的四角。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供了一种混合减震结构的设计方法，采用黏性液体阻尼器与防屈曲支撑混合减震策略。在小震作用下，防屈曲支撑可提供抗扭刚度，减小偶然偏心的不利影响；在大震作用下，其可帮助消耗能量，确保目标性能。

本发明中防屈曲支撑布置在隔震层以上楼层，能避免因增加隔震层刚度而影响黏性液体阻尼器在多遇地震下的耗能。且本发明中防屈曲支撑优先布置在房屋四角，能减小对建筑空间利用效率的影响。

综上所述，本发明提供的混合减震结构的设计方法，可以真正用于实际工程中，极大程度地减少所需消能减震部件的数量与安装位置，从而降低建设成本，减小对建筑空间的影响。

附图说明

图1是1#建筑的平面示意图；

图2是2#建筑的平面示意图；

图3是1#建筑应用混合减震结构的结构示意图；

图4是2#建筑应用混合减震结构的结构示意图；

图5为Elcentro地震加速度记录S00E分量图；

图6为1#建筑在工况1时多遇地震下的层间位移角曲线图；

图7为1#建筑在工况2时多遇地震下的层间位移角曲线图；

图8为1#建筑在工况3时多遇地震下的层间位移角曲线图；

图9为2#建筑在工况1时多遇地震下的层间位移角曲线图；

图10为2#建筑在工况2时多遇地震下的层间位移角曲线图；

图11为2#建筑在工况3时多遇地震下的层间位移角曲线图；

图12为2#建筑在工况3时罕遇地震下的层间位移角曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种混合减震结构的设计方法。

1、混合减震结构的设计包括如下步骤：

S1、将房屋结构的底部楼层作为隔震层，并调整隔震层的高度和抗侧构件截面尺寸，使隔震层基本周期与场地特征周期相匹配，其中相匹配具体为场地特征频率ω与隔震装置的固有频率ω_n相等或相近，即ω/ω_n在0.75与1.25之间，然后安装减震装置在所述隔震层上，以获得好的减震效果；

减震装置为黏性液体阻尼器。黏性液体阻尼器被认为是一种只提供阻尼不提供刚度的消能部件，因此隔震层设计主要通过调整隔震层抗侧刚度实现。

当隔震层的层高可以改变时：选择房屋结构的底部两层为隔震层，当抗侧力构件的材料强度、截面尺寸确定后，通过振型分析计算出隔震层层高，振型分析计算公式为：

$|k_b-{\mathrm{\ω}}_n^2{m}_b|=0$

其中，k_b为隔震层的刚度矩阵；m_b为隔震层的质量矩阵；ω_n为隔震层的固有频率；

当隔震层的层高受到限制或不可改变时：改变抗侧力构件的材料强度和截面尺寸，并调整隔震层楼层的数量。

S2、将防屈曲支撑(Buckling-Restrained Brace,简称BRB)布置在所述隔震层以上楼层，并优先布置在房屋四角，以减小偶然偏心的影响。

防屈曲支撑在此用来提高减震结构的抗扭刚度，将防屈曲支撑安装在隔震层以上的楼层，防屈曲支撑的滞回耗能性能由内核芯材决定，防屈曲支撑的抗侧移刚度计算公式为：

其中，E为芯材弹性模量，A为芯材截面积，θ为防屈曲支撑与框架梁的夹角，h为层高；

根据上式可知，防屈曲支撑内核芯材面积由所需防屈曲支撑抗侧移刚度确定，而所需防屈曲支撑抗侧移刚度又取决于偶然偏心产生不利影响的大小。

所需防屈曲支撑的数量根据减震结构的目标性能由平扭周期比和弹塑性时程分析确定。平扭周期比即结构扭转为主的第一自振周期T_t与平动为主的第一自振周期T₁之比，常常用来表征因偏心或偶然偏心产生的扭转效应，《高层建筑混凝土结构技术规程》强调A级高度高层建筑的平扭周期比不应大于0.9，B级高度高层建筑的平扭周期比不应超过0.85。平扭周期比可用PKPM、ETABS、SAP2000、MIDAS等常见的结构设计分析软件计算。而时程分析主要用于计算结构在地震作用下的响应，如位移、速度、加速度等，亦可用ETABS、SAP2000、MIDAS、PERFORM-3D等有限元软件实现。如减震结构通过时程分析计算出层间位移等性能指标超出规范允许值，则需增加减震装置数量。

所使用防屈曲支撑的芯材选用Q235钢。防屈曲支撑的屈服位移仅由内核单元材料强度f_y、层高h、支撑与框架梁之间的夹角θ决定。本实施例中，采用Q235型钢，30°≤θ≤60°，因此防屈曲支撑的屈服位移角在区间[1/438,1/380]内。就混凝土框架结构而言，多遇地震下防屈曲支撑将不会屈服。

2、混合减震结构应用的工程概况

选择两栋10层，长宽比不同的框架结构作为算例，两栋建筑分别为1#和2#建筑，其长宽比分别为1.0和2.33，其平面示意图分别由图1、2所示，通过分析偶然偏心在消能减震设计中的不利影响后，提出对策。

工程所在地区设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.30g，Ⅱ类场地，设计地震分组为第1组。建筑的1～5层框架柱截面尺寸为650×650mm，混凝土强度等级为C40；建筑的6～10层框架柱截面尺寸为600×600mm，混凝土强度等级为C35。建筑的框架梁截面尺寸为300×750mm，次梁截面尺寸为300×650mm，楼板厚度均为100mm，梁板混凝土强度等级为C30。建筑结构标准层层高为4000mm，此隔震层层高由计算确定。表1为框架柱配筋。

表1框架柱配筋表

注：φ为牌号HPB300钢筋，为牌号HRB400钢筋。

3、混合减震结构的消能减震设计

本实施例中，采用黏性液体阻尼器时，当框架柱截面尺寸、混凝土强度确定的情况下，计算隔震层层高的问题可转化为求特征值的问题。将框架结构底部两层设为隔震层，取隔震层固有频率等于场地特征频率，用商业数学软件Matlab可算出两个工程算例底部隔震层层高都在5200mm左右，属合理值。

如果将防屈曲支撑布置在隔震层，将使其抗侧刚度提高，不利于黏性液体阻尼器在多遇地震下更好的消耗能量。因此将防屈曲支撑布置在隔震层以上，图3、4为黏性液体阻尼器和防屈曲支撑在1#、2#建筑中的布置示意图。1#建筑的框架Y向，黏性液体阻尼器布置在1、4轴线上；X向，黏性液体阻尼器布置在A、D轴线上。2#建筑的框架Y向，黏性液体阻尼器布置在1、3、6、8轴线上；X向，黏性液体阻尼器布置在A、D轴线上。

防屈曲支撑则布置在四角，芯材选Q235钢。防屈曲支撑的抗侧移刚度，以Y向1#建筑框架的4根框架柱总抗侧移刚度K_f为参考，则单支防屈曲支撑芯材面积A、抗侧刚度k_D/2，安装防屈曲支撑后结构扭转周期与平动周期比值T_t/T₁列于表2。K_D为1#建筑的框架中所安装防屈曲支撑抗侧移刚度总和，K_D＝2k_D。K_D/K_f＝∞，表示忽略偶然偏心的影响。表2不同K_D/K_f值所对应平扭周期比T_t/T₁

4、混合减震结构的时程分析

(1)地震波选取

安装防屈曲支撑提高框架减震结构的抗扭刚度后，消能效果需要通过时程分析进行验证。不失一般性，选取1条强震记录，即Elcentro波S00E分量进行时程分析，如图5所示，其中x坐标代表时间，y坐标代表加速度。其中，峰值加速度依《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)设定。实施例中，1#、2#建筑分别为规则对称的框架结构，故仅对Y向输入地震波进行分析说明，并假定黏性液体阻尼器与防屈曲支撑与混凝土框架连接节点有足够的强度，在地震作用下不会发生屈服或者破坏。

(2)弹性时程分析

在不安装防屈曲支撑时，偶然偏心将影响减震效果，但将黏性液体阻尼器安装在底部隔震层仍可实现“小震不坏”的性能目标。为方便比较，针对1#、2#框架分别选择3种工况见表3。C1表示安装在第1层单个阻尼器的阻尼系数，C2表示安装在第2层单个阻尼器的阻尼系数，阻尼指数取0.5。

表3不同工况隔震层安装阻尼器大小    10³kN·s·m^-1

采用有限元软件对其进行多遇地震下的时程分析，绘制层间位移角曲线如图6-12所示，其中图6-12中的各曲线标记分别为：-○-K_D/K_f＝0，-*-K_D/K_f＝0.10，-△-K_D/K_f＝0.20，K_D/K_f＝0.30，-□-K_D/K_f＝0.40，-●-K_D/K_f＝∞。

通过对其分析，可得出以下规律：

1、如不考虑偶然偏心的影响，在结构隔震层安装较小的阻尼器即可取得很好的消能减震效果，也表明偶然扭转使结构地震响应大大增加。

2、如图6、图9所示，当底部隔震层安装黏性液体阻尼器较少时，即使加大结构的抗扭刚度，消能减震效果有限；而如图8、图11，当底部隔震层安装黏性液体阻尼器适量时，加大结构的抗扭刚度，消能减震效果明显。

3、考虑偶然偏心，将黏性液体阻尼器只安装在结构底部隔震层，当阻尼器适量时，多遇地震下亦能满足“小震不坏”的性能目标，如图8、图11所示；此时底部隔震层的层间位移并非最大，因此阻尼器耗能并非最佳，但对建筑空间的利用效率影响较小。

4、从平扭周期比的计算看，仅在框架结构四角安装防屈曲支撑提高抗扭刚度的效果有限，因而其在多遇地震下的层间位移角曲线与忽略偶然偏心时层间位移角曲线呈现较大差异。

(3)弹塑性时程分析

针对2#建筑结构工况3进行弹塑性时程分析，绘制不同抗侧刚度比K_D/K_f对应的最大层间位移角曲线，如图12所示。减震结构在罕遇地震下的最大层间位移角在第2层，小于1/100，可确保实现“大震不倒”的目标性能；但最大层间位移角曲线并未因安装防屈曲支撑抗侧刚度增加而呈现与弹性时程分析相似的变化特征。这是因为进入弹塑性阶段后隔震层抗侧刚度将减小，但刚度值呈不规律变化，故此时减震体系不再具有基础隔震体系的动力特性。其次是由于防屈曲支撑在减震体系中耗能非常少，低于1％，见表4。

表4列出了减震体系各类型构件的总耗能，以及梁、柱、阻尼器与防屈曲支撑耗能比例。尽管随着抗扭刚度增加，梁耗能比例有所下降，但仍然是最主要耗能组件。而阻尼器随着抗扭刚度加大，耗能有所增加，这与弹性阶段类似；亦表明增加抗扭刚度减小偶然偏心的影响有利于黏性液体阻尼器的耗能。

表4不同类型构件耗能总量以及各类型构件耗能比率

综上所述，获得如下结论：

1、时程分析表明，偶然偏心使减震结构在地震作用下的响应大大增加。因此基于隔震理论的减震结构设计方法必须考虑偶然偏心的不利影响。

2、混合减震方法既可加大结构的抗扭刚度，亦不影响隔震层内黏性液体阻尼器的消能能力。该方法所需消能部件少，可确保建筑空间的利用效率，且考虑了偶然偏心的不利影响，有较高的实用价值。

3、本实施例中选用芯材为Q235的防屈曲支撑，其在弹塑性分析中耗能较少，主要作用是提高抗扭刚度。如果减震结构有更高的目标性能，可选择低屈服点钢材作为防屈曲支撑芯材，以便消耗更多地震能量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种混合减震结构的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、将房屋结构的底部楼层作为隔震层，并调整所述隔震层的高度或抗侧构件截面尺寸，使隔震层基本周期与场地特征周期相匹配，然后安装减震装置在所述隔震层上，以获得减震效果；

S2、在所述隔震层以上楼层布置防屈曲支撑，以减小偶然偏心的影响。

2.根据权利要求1所述的混合减震结构的设计方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：

当所述隔震层的层高可以改变时：选择房屋结构的底部两层为隔震层，当抗侧力构件的材料强度、截面尺寸确定后，通过振型分析计算出所述隔震层层高，振型分析计算公式为：

$|k_b-{\mathrm{\ω}}_n^2{m}_b|=0$

其中，k_b为所述隔震层的刚度矩阵；m_b为所述隔震层的质量矩阵；ω_n为所述隔震层的固有频率；

当所述隔震层的层高受到限制或不可改变时：改变所述抗侧力构件的材料强度和截面尺寸，或调整隔震层楼层的数量。

3.根据权利要求1所述的混合减震结构的设计方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：

将所述防屈曲支撑安装在所述隔震层以上的楼层，所述防屈曲支撑的滞回耗能性能由内核芯材决定，所述防屈曲支撑内核芯材面积由所需防屈曲支撑抗侧移刚度确定，其抗侧移刚度计算公式为：

其中，E为芯材弹性模量，A为芯材截面积，θ为防屈曲支撑与框架梁的夹角，h为层高。

4.根据权利要求1所述的混合减震结构的设计方法，其特征在于：所述防屈曲支撑的数量根据减震结构的目标性能由平扭周期比和弹塑性时程分析确定。

5.根据权利要求1所述的混合减震结构的设计方法，其特征在于：所述减震装置为黏性液体阻尼器。

6.根据权利要求1所述的混合减震结构的设计方法，其特征在于：所述防屈曲支撑布置在所述隔震层以上楼层的四角。