CN109299571A - 一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法。该方法包括：确定消防水箱是否适合改造成为调谐液体阻尼器；当消防水箱适合改造成为调谐液体阻尼器时，获取消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距；制定并调整消防水箱内扰流网的设置和水位设置方案；确定消防水箱的减震效果。本发明通过在高层建筑顶部消防水箱中增设扰流网并控制水位，可使其既兼顾消防水箱的功能又实现TLD功能，从而起到减振作用；不需另外设置大量的小型浅水箱作为TLD，而利用建筑顶部原有消防水箱作为TLD，既降低减振成本又不影响建筑使用，在消防水箱内增设扰流网，既不影响建筑消防水箱的水量，又可通过改变水的晃动频率来达到建筑减振效果。

Description

一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法
技术领域
本发明涉及建筑抗震技术领域，更具体的涉及一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法。
背景技术
为克服传统抗震设计方法的缺陷，国内外学者将振动控制理论引入到现代结构工程中,使结构设计从单纯的抗震设计进入了减振设计阶段。近年来，经过广大研究者和工程师的不断努力，结构振动控制应用于土木工程结构抗震的相关理论、试验及工程实践等方面都取得了一定进展。其中，调谐减振系统等被动控制装置凭借成本低、日常维护费用少且无需提供外部能源等优势，逐步被应用于结构抗震，而调谐液体阻尼器(TLD)是调谐减振系统中的一种。TLD在风致振动方面可以获得较好的控制效果。但地震动反应比较复杂，所以在使用TLD对建筑结构进行减振抗震设计的相关研究和应用中还存在一些问题，具体如下所示：
第一，通过研究可知，建筑物顶部位移的减振量随着水量的增加而增加，当水量与建筑物质量比在1.5％-3％时，减振率可达到15％-30％。这就对用于TLD的水量提出了较高要求，导致现有的TLD系统往往采用数量过多的水箱，建造成本高、所占空间大，而且存在水箱之间是否连通以及水箱中的水不宜利用等问题。
第二，目前浅水TLD减振控制技术相对成熟，但浅水TLD的水位浅，水量小，作用有限。而深水TLD具有较高水位，水量大，因此其液体晃动阻尼对控制效果的影响更为显著，其在建筑减振方面更具优势，但如何有效提高深水TLD的液体晃动阻尼仍是需要研究的问题。
第三，通过研究可知，TLD水箱中水的晃动频率接近或稍小于建筑物自振频率时，TLD系统的控制效果最优。如何控制深水TLD中水的晃动频率也是需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，用以解决现有技术中存在的问题。
本发明实施例提供一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，包括：
步骤1：利用有限元软件对建筑结构进行建模并进行模态分析，得到建筑结构的自振周期、频率以及质量；
步骤2：获取高层建筑物顶部消防水箱内水的深度h以及沿振动方向水箱尺寸L，计算出消防水箱内水的质量，通过消防水箱内水与建筑结构的质量比，并结合消防水箱中水的晃动频率fw与h/L的关系曲线、消防水箱中水的晃动频率fw与L的关系曲线，确定消防水箱是否适合改造成为调谐液体阻尼器；
步骤3：如果消防水箱适合改造成为调谐液体阻尼器，则利用有限元软件建立消防水箱的数值模型，计算分析消防水箱的自振周期、频率；将消防水箱的自振周期、频率与消防水箱下方建筑结构的自振周期、频率分别进行比较，得出消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距；
步骤4：根据消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距，制定消防水箱内扰流网设置方案和水位设置方案；根据扰流网设置方案和水位设置方案在步骤3的消防水箱的数值模型中建立水箱内部的扰流网并设置水位，然后利用有限元软件对设有扰流网的水池进行分析，得到扰流网的自振周期、频率；并根据扰流网的自振周期、频率的结果调整扰流网设置方案和水位设置方案，使设置有扰流网的消防水箱的自振频率靠近且小于建筑结构的自振频率；
步骤5：在调整好消防水箱扰流网设置方案及水位设置方案后，将消防水箱及建筑结构建立在同一模型中，形成与实际工程一致的顶部有消防水箱的建筑结构模型，并进行建筑结构抗震性能分析，通过建筑结构顶点位移、构件变形、结构内力指标是否满足规范要求来判定由消防水箱形成的调谐液体阻尼器是否能够起到减震作用；
步骤6：如果经过数值模拟在消防水箱中设置扰流网的方案能够达到预期目的，即建筑结构受力性能及变形满足建筑结构设计规范要求，则实际施工中按照步骤4中的扰流网设置方案及水位设置方案施工；如果经过数值模拟设置扰流网的消防水箱的减震效果没有达到预期目的，则重复步骤3至步骤5，依据计算结果对扰流网的设置方案进行调整，直至消防水箱的减震效果达到预期目的。
进一步地，所述基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器采用建筑物已有的消防水箱。
进一步地，所述扰流网为带孔的金属板或金属网。
本发明实施例中，提供一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明通过在高层建筑顶部消防水箱中增设扰流网并控制水位，可使其既兼顾消防水箱的功能又实现调谐液体阻尼器(TLD)功能，从而起到减振的作用；利用高层建筑顶部原有消防水箱，在为其增设扰流网后形成深水TLD，依据有限元分析结果，确定合理的水位及扰流方式，使该TLD在水量、液体晃动阻尼、晃动频率等方面达到最优状态，从而在基本不增加建筑建造成本的前提下达到对高层建筑结构在地震发生时的减振作用，从而提高建筑结构的抗震性能。本发明的TLD设计方法不同于一般的TLD设计方法，不需另外设置大量的小型水箱作为TLD，而是利用建筑顶部原有消防水箱作为TLD，既降低减振成本又不影响建筑使用；在消防水箱内增设扰流网，既解决了TLD水的水量问题，又可有效解决水的晃动频率问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的建筑结构有限元模型；
图2为本发明实施例提供的fw与h/L的关系曲线图；
图3为本发明实施例提供的fw与L的关系曲线图；
图4为本发明实施例提供的消防水箱有限元模型；
图5为本发明实施例提供的消防水箱水压力云图；
图6a为本发明实施例提供的TLD系统整体有限元模型；
图6b为本发明实施例提供的TLD系统消防水箱有限元模型；
图7a为本发明实施例提供的用开孔金属板作为扰流网的矩形消防水箱俯视图；
图7b为本发明实施例提供的用开孔金属板作为扰流网的矩形消防水箱剖面图；
图8a为本发明实施例提供的用金属网作为扰流网的矩形消防水箱俯视图；
图8b为本发明实施例提供的用金属网作为扰流网的矩形消防水箱剖面图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明实施例提供的一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，具体包括：
第1步：利用有限元软件(可以使用ABAQUS、ANSYS等软件)对建筑结构进行建模(如图1)并对其进行模态分析，得到建筑结构的自振周期、频率以及建筑结构质量。
第2步：通过业主提供的设计图纸获取高层建筑物顶部消防水箱的液体深度h以及沿振动方向水箱尺寸L，计算出消防水箱水的质量，通过水箱内水与建筑结构的质量比并结合图2中的消防水箱中水的晃动频率fw与h/L的关系曲线、图3中消防水箱中水的晃动频率fw与L的关系曲线确定该水箱是否适合进行改造并成为TLD。
第3步：如果该消防水箱适合进行改造形成TLD，则利用有限元软件建立如图4所示的消防水箱的数值模型，通过计算分析可得到图5所示的该水箱的消防水箱水压力云图以了解水箱中水的晃动情况，并得到消防水箱的自振周期、频率。将水箱的自振周期、频率与其下方建筑结构的自振周期、频率进行比较，得出两者之间的差距。
本发明可通过基于集中质量法的TLD模型或者基于流固耦合法的TLD模型对消防水箱形成的TLD进行分析。下面分别对基于集中质量法的TLD模型和基于流固耦合法的TLD模型进行说明。
(1)集中质量法
在使用基于集中质量法的TLD模型时，各项参数的计算如下所示：
圆形水箱：
矩形水箱：
M为水的总质量，R为水箱半径，L为水箱宽度，g为重力加速度，h为水箱中水的深度。
(2)流固耦合分析方法
分步法求解Navier-Stokes方程近年来应用广泛。该方法是一种半隐式格式，对压力和速度采用同阶多项式插值函数，速度由显式格式解得，压力利用速度由隐式格式解得。该方法可用来求解Euler法或Lagrange法描述的Navier-Stokes方程，也可以用来求解任意的拉格朗日-欧拉形式(ALE)描述的Navier-Stokes方程。通过有限元软件使用流固耦合分析方法可以模拟TLD体系的非线性特性。
通过有限元软件建立原建筑消防水箱模型，并利用流固耦合分析方法对消防水箱进行分析，如图4、图5。需说明的是，图4及图5只是某个消防水箱的模型示意，实际中不同建筑的消防水箱的形状及尺寸会有差异。应根据建筑物原有消防水箱的实际情况进行模型建立。
第4步：根据消防水箱与其下方建筑结构自振周期、频率的差距制定水箱内扰流网的设置方案并确定水位。根据该方案在上一步完成的TLD模型中按照方案建立水箱内部的扰流网并设置水位，然后利用软件对设有扰流网的水池进行建模分析，如图6b，得到其自振周期、频率。并根据自振周期、频率的结果调整扰流网设置及水位设置方案，使设有扰流网的消防水箱的自振频率尽量靠近且略小于建筑结构自振频率。
需要说明的是，在结构的屋面上，建立消防水箱及水的有限元模型，使消防水箱及建筑结构处于同一模型中，并根据建筑结构与消防水箱实际连接情况处理边界问题。此处需要说明的是，不同的建筑及其原有消防水箱应根据实际情况建立相应模型进行计算分析。
第5步：在调整好消防水箱扰流网及水位设置方案后，将消防水箱及建筑结构建立在同一模型中，如图6a所示，形成与实际工程一致的顶部有消防水箱的建筑结构模型，并对该模型进行结构抗震性能分析，通过结构顶点位移、构件变形、结构内力等指标是否满足规范要求来判定由消防水箱形成的TLD是否能够起到显著的减振作用。
需要说明的是，利用上一步建立的有限元模型，分析原有消防水箱及水位对建筑物在地震作用下震动的影响，并依据分析结果对消防水箱的水位进行调整，尽量使水量与建筑质量比靠近1.5％-3％这一范围。
第6步：如果经过数值模拟发现以上在消防水箱中设置扰流网的方案可以达到预期目的(建筑结构受力性能及变形满足规范要求)，则实际施工中可照此方案施工。消防水箱中扰流网设置可以采用如图7a、7b所示的带孔的金属板，也可采用如图8a、8b所示的金属网。金属板及金属网与消防水箱四周的箱壁可采用焊接。扰流网的布置可采用横、纵结合的方式。如果经过数值模拟发现设置扰流网的消防水箱的减震效果没有达到预期，则需要重复第3步至第5步的工作，依据计算结果对扰流网的设置方案进行调整，直至消防水箱的减振效果达到预期(建筑结构受力性能及变形满足建筑结构设计相关规范要求)。
需要说明的是，对建筑物已有消防水箱的改造是根据有限元软件对消防水箱以及建筑物的自振周期、频率进行模拟计算的结果，通过控制消防水箱水位以及增设扰流网进行的合理改造，以达到调整消防水箱的自振周期、频率的目的，从而形成有效的调谐液体阻尼器(TLD)，即本发明的主要核心点是对已有消防水箱进行改造(设置扰流网)从而改变水箱内液体晃动的阻尼，进而改变其振动频率、周期，使其与建筑结构的振动频率、周期更为接近，从而达到TLD的效果，利用已有消防水箱进行改造形成TLD的想法优于专门设置TLD的常规做法。
在以上工作的基础上根据分析结果制定消防水箱内扰流网的设置方案，通过扰流网的设置改变消防水箱内水的晃动阻尼及晃动频率。依据此方案进行建模，对设置扰流网后的TLD的控制效果进行分析，根据分析得出的减振控制效果及相关数据继续对扰流网设置方案进行优化，使得消防水箱内水的晃动频率尽量接近且稍小于建筑物的自振频率，以使其发挥更大的减振作用。
通过有限元模拟分析确定了最终的水位及扰流网设置方案后，对原有消防水箱进行改造，在其内部按方案增设扰流网。图7a、图7b、图8a、图8b所示为一矩形消防水箱内的扰流网设置方案，并以此对扰流网的增设方法进行说明。消防水箱中可用带孔的金属板或金属网作为扰流网。扰流网可分为水平布置以及竖向布置，水平及竖直两个方向布置的扰流网数目需通过有限元模拟的计算结果确定。水平和竖直可同时设置，也可只在水平或竖直设置。当采用带孔的金属板时，在有限元模型中还需设置详细板厚、孔径、间距，并依据分析结果判定板厚、孔径、间距是否合理。金属扰流网与消防水箱之间采用焊接连接。当消防水箱为圆柱形时，水平扰流网应做成与消防水箱横截面相同的圆形。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，包括：
步骤1：利用有限元软件对建筑结构进行建模并进行模态分析，得到建筑结构的自振周期、频率以及质量；
步骤2：获取高层建筑物顶部消防水箱内水的深度h以及沿振动方向水箱尺寸L，计算出消防水箱内水的质量，通过消防水箱内水与建筑结构的质量比，并结合消防水箱中水的晃动频率fw与h/L的关系曲线、消防水箱中水的晃动频率fw与L的关系曲线，确定消防水箱是否适合改造成为调谐液体阻尼器；
步骤3：如果消防水箱适合改造成为调谐液体阻尼器，则利用有限元软件建立消防水箱的数值模型，计算分析消防水箱的自振周期、频率；将消防水箱的自振周期、频率与消防水箱下方建筑结构的自振周期、频率分别进行比较，得出消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距；
步骤4：根据消防水箱与消防水箱下方建筑结构自振周期、频率的差距，制定消防水箱内扰流网设置方案和水位设置方案；根据扰流网设置方案和水位设置方案在步骤3的消防水箱的数值模型中建立水箱内部的扰流网并设置水位，然后利用有限元软件对设有扰流网的水池进行分析，得到扰流网的自振周期、频率；并根据扰流网的自振周期、频率的结果调整扰流网设置方案和水位设置方案，使设置有扰流网的消防水箱的自振频率靠近且小于建筑结构的自振频率；
步骤5：在调整好消防水箱扰流网设置方案及水位设置方案后，将消防水箱及建筑结构建立在同一模型中，形成与实际工程一致的顶部有消防水箱的建筑结构模型，并进行建筑结构抗震性能分析，通过建筑结构顶点位移、构件变形、结构内力指标是否满足规范要求来判定由消防水箱形成的调谐液体阻尼器是否能够起到减震作用；
步骤6：如果经过数值模拟在消防水箱中设置扰流网的方案能够达到预期目的，即建筑结构受力性能及变形满足建筑结构设计规范要求，则实际施工中按照步骤4中的扰流网设置方案及水位设置方案施工；如果经过数值模拟设置扰流网的消防水箱的减震效果没有达到预期目的，则重复步骤3至步骤5，依据计算结果对扰流网的设置方案进行调整，直至消防水箱的减震效果达到预期目的。
2.如权利要求1所述的基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，所述基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器采用建筑物已有的消防水箱。
3.如权利要求1所述的基于建筑消防水箱的调谐液体阻尼器的设计方法，其特征在于，所述扰流网为带孔的金属板或金属网。
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