CN109598043A - 一种支撑式阻尼器的结构设计方法 - Google Patents

一种支撑式阻尼器的结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支撑式阻尼器的结构设计方法，包括步骤：预设附加阻尼器的结构总有效阻尼比ξ0；假定模型中等代斜撑的尺寸，并布置于需附加阻尼器的位置；计算附加阻尼结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的结构响应，获得等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax，并根据等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax估算阻尼器屈服力Fdy及屈服位移；确定模型的实配斜撑的尺寸，并计算阻尼器附加的有效阻尼比ξd。本发明针对建筑结构的附加阻尼结构进行计算、设计，通过计算出附加阻尼器结构的有效阻尼比，调整阻尼器的参数进行迭代，直至附加阻尼器结构的有效阻尼比接近目标有效阻尼比，以此确定阻尼器的数量和型号，计算更加准确，且适用性更强。

Description

一种支撑式阻尼器的结构设计方法
技术领域
本发明涉及建筑结构消能减震技术领域，尤其涉及一种支撑式阻尼器的结构设计方法。
背景技术
根据最新的《中国地震动参数区划图》GB18306-2015与上一代地震区划图相比较，新一代地震区划图适当提高了我国整体抗震设防要求，突出强调了房屋建筑等的抗倒塌标准，取消了不设防区域，为新时期全面提高我国的抗震设防能力提供科学依据，能更好的适应目前我国经济社会发展需要，为了满足结构抗震设防的要求，同时控制造价成本，消能减震系统目前被推广使用，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010也已对如何进行消能减震结构设计做出明确的规定。但是，目前常用软件暂不能合理的模拟消能减震装置，严重阻碍了消能减震系统的推广使用。
专利号为CN204850121U的专利公开了一种带有金属阻尼器的可嵌入式消能减震机构，包括一钢框架，该钢框架内部设有一消能装置，该消能装置为支撑式阻尼器或墙式阻尼器，所述钢框架的外围通连接键或连接键和填充材料层与主体结构梁、主体结构柱之间固定连接。本实用新型一种带有金属阻尼器的可嵌入式消能减震机构，将消能装置设于一钢框架内，为了使消能机构在地震作用时与主体结构一起受力，在钢框架外设有连接装置，连接装置为连接键和填充材料时，方便耗能机构安装于已建建筑的梁柱上，连接装置为连接键时，方便耗能机构安装于新建建筑的梁柱上。本实用新型耗能机构坚固，安装方面，整体性强，具有很好的抗震能力。但是，该方案不能很好的实现将阻尼结构的各项参数设置为接近目标阻尼比的对应参数，将导致其抗震效果也将得不到有效的发挥。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种支撑式阻尼器的结构设计方法，针对建筑结构的附加阻尼结构进行计算、设计，其计算过程较为简单，可操作性、适用性更强。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种支撑式阻尼器的结构设计方法，包括步骤：
预设附加阻尼器的结构总有效阻尼比ξ0；
假定模型中等代斜撑的尺寸，并布置于需附加阻尼器的位置；
计算附加阻尼结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的结构响应，获得等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax，并根据等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax估算阻尼器屈服力Fdy及屈服位移；
确定模型的实配斜撑的尺寸，并计算阻尼器附加的有效阻尼比ξd，根据附加阻尼比ξd和结构本体阻尼比获得模型的结构总有效阻尼比ξ1；
判断预设的结构总有效阻尼比ξ0与模型的结构总有效阻尼比ξ1误差是否在预设范围之内，若是，则根据该结构总有效阻尼比ξ1确定附加阻尼结构的各项参数，否则，调整模型中等代斜撑的数量和尺寸以重新确定附加阻尼结构的各项参数。
优选的，还包括步骤：
利用PKPM计算附加结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的响应。
优选的，所述结构响应包括斜撑内力标准值，所述获得等代斜撑水平合力F具体为：
根据斜撑内力标准值计算等代斜撑水平合力F。
优选的，根据等代斜撑的基本信息获得等代斜撑的刚度，其特征在于，所述获得等代斜撑水平位移ΔUdmax具体为：
根据斜撑内力标准值、等代斜撑的尺寸及刚度计算等代斜撑轴向位移；
根据等代斜撑轴向位移计算附加阻尼结构的水平位移ΔUdmax。
优选的，还包括步骤：
计算实配斜撑的水平变形d；
根据实配斜撑的水平变形d和阻尼器的屈服位移获得附加阻尼结构的屈服位移Δudy。
优选的，所述计算实配斜撑的水平变形d具体为：
计算实配斜撑的轴向刚度；
根据实配斜撑的轴向刚度和阻尼器的屈服力获得实配斜撑的轴力；
根据实配斜撑的轴力计算实配斜撑的水平变形d。
优选的，所述计算阻尼器附加的有效阻尼比ξd具体为：
ξd＝Wc/(4πWs)；
其中，Wc表示结构中n个阻尼器总消耗能量，其计算公式为
每一个阻尼器的消耗能量为Wci＝4Fdy(Δudmax-Δudy)，Fdy表示阻尼器屈服力，Δudmax表示附加阻尼结构的水平位移，Δudy表示附加阻尼结构的屈服位移；Ws表示不计及扭转影响时，阻尼结构在水平低正作用下的总应变能：Ws＝∑Fiui/2，其中，Fi为结构第i层水平地震作用标准值，ui为第i层对应于水平地震作用标准值的位移。
与现有技术相比，本发明针对建筑结构的附加阻尼结构进行计算、设计，通过计算出附加阻尼器结构的有效阻尼比，调整阻尼器的参数进行迭代，直至附加阻尼器结构的有效阻尼比接近目标有效阻尼比，以此确定阻尼器的数量和型号，计算更加准确，且适用性更强，有效促进附加阻尼结构的建筑结构发挥更好的消能减震效果。
附图说明
图1为实施例一提供的一种支撑式阻尼器的结构设计方法流程图；
图2为实施例一的一种支撑式阻尼器的结构设计方法附加阻尼结构的力-位移滞回曲线图；
图3为实施例一的一种支撑式阻尼器的结构设计方法附加阻尼结构的结构示意图；
图4为实施例一提供的一种支撑式阻尼器的结构设计方法的计算迭代流程图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
本实施例提供一种支撑式阻尼器的结构设计方法，如图1所示，包括步骤：
S101、预设附加阻尼器的结构总有效阻尼比ξ0；
S102、假定模型中等代斜撑的尺寸，并布置于需附加阻尼器的位置；
S103、计算附加阻尼结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的结构响应，获得等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax，并根据等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax估算阻尼器屈服力Fdy及屈服位移；
S104、确定模型的实配斜撑的尺寸，并计算阻尼器附加的有效阻尼比ξd，根据附加阻尼比ξd和结构本体阻尼比获得模型的结构总有效阻尼比ξ1；
S105、判断预设的结构总有效阻尼比ξ0与模型的结构总有效阻尼比ξ1误差是否在预设范围之内，若是，则根据该结构总有效阻尼比ξ1确定附加阻尼结构的各项参数，否则，调整模型中等代斜撑的数量和尺寸以重新确定附加阻尼结构的各项参数。
为了使得阻尼器在建筑结构中能够发挥良好的消能减震效果，本实施例提出了一种能够利用现有常用结构设计软件对消能减震建筑结构进行设计的迭代计算，旨在快速得到支撑式阻尼器的各项参数，包括支撑的尺寸、阻尼器的数量和参数等，该方法利用PKPM软件进行结构设计，依据现有国家规范的要求，通过等代斜撑与实配斜撑刚度的差异，可使阻尼器发挥作用，通过其相对位移消耗能量，进而起到保护主体结构的目的，本实施例对支撑式阻尼器的设计具有有效性、易用性和适用性。
步骤S101根据目标要求预先假定加入阻尼器装置的建筑结构的总阻尼比ξ0；
步骤S102假定初始条件：假定模型中等代斜撑的截面尺寸，并布置于需附加阻尼器的位置，阻尼器和斜撑的位置如图3所述，根据斜撑的基本信息可得到其刚度。
步骤S103计算附加阻尼结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的结构响应，获得等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax，并根据等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax估算阻尼器屈服力Fdy及屈服位移；
优选的，利用PKPM计算附加结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的响应。
利用PKPM软件对结构进行计算，可得到地震作用下结构响应，包括斜撑内力标准值等；
根据斜撑内力标准值、截面尺寸及刚度，可求得等代斜撑轴向位移；
由等代斜撑轴向位移计算出机构水平位移ΔUdmax；
利用已求出的等代斜撑内力标准值可算出其水平方向的合力F。
优选的，所述结构响应包括斜撑内力标准值，所述获得等代斜撑水平合力F具体为：
根据斜撑内力标准值计算等代斜撑水平合力F。
优选的，根据等代斜撑的基本信息获得等代斜撑的刚度，其特征在于，所述获得等代斜撑水平位移ΔUdmax具体为：
根据斜撑内力标准值、等代斜撑的尺寸及刚度计算等代斜撑轴向位移；
根据等代斜撑轴向位移计算附加阻尼结构的水平位移ΔUdmax。
步骤S104实配斜撑及有效阻尼比ξ1的计算：
a、初步确定实配斜撑的截面尺寸(大于等代斜撑尺寸)；计算实配斜撑与水平面夹角，确定阻尼器屈服力Fdy约等于等代斜撑水平方向的合力，定义阻尼器屈服位移、阻尼器高度；
优选的，还包括步骤：
计算实配斜撑的水平变形d；
根据实配斜撑的水平变形d和阻尼器的屈服位移获得附加阻尼结构的屈服位移Δudy,阻尼结构的屈服位移ΔUdy为阻尼器屈服位移与实配斜撑水平变形d的和。
优选的，所述计算实配斜撑的水平变形d具体为：
计算实配斜撑的轴向刚度；
根据实配斜撑的轴向刚度和阻尼器的屈服力获得实配斜撑的轴力；
根据实配斜撑的轴力计算实配斜撑的水平变形d。
b、建筑结构的有效阻尼比ξ1的计算：ξ1为为附加阻尼结构的有效阻尼比ξd与建筑结构本体的有效阻尼比之和。优选的，所述计算阻尼器附加的有效阻尼比ξd具体为：
ξd＝Wc/(4πWs)；
其中，Wc表示结构中n个阻尼器总消耗能量，其计算公式为
每一个阻尼器的消耗能量为Wci＝4Fdy(Δudmax-Δudy)，Fdy表示阻尼器屈服力，Δudmax表示附加阻尼结构的水平位移，Δudy表示附加阻尼结构的屈服位移；Ws表示不计及扭转影响时，阻尼结构在水平低正作用下的总应变能：Ws＝∑Fiui/2，其中，Fi为结构第i层水平地震作用标准值，ui为第i层对应于水平地震作用标准值的位移。
步骤S105有效阻尼比复核及迭代计算：
将计算所得结构总阻尼比ξ1(ξ1为主体结构阻尼比与附加阻尼比ξd之和)与ξ0进行比较，判断ξ1和ξ0是否超过预设范围，本实施例的预设误差范围设定为5％，当误差超过预设误差范围时，调整模型中等代斜撑的数量和尺寸，转到步骤S102继续迭代计算，直至ξ1与ξ0误差控制在5％以内。本实施例提供的计算方法的迭代流程图如图4所示。
本发明的具体实施方法如下：本发明中阻尼装置对结构产生的等效附加阻尼比根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第12章之规定进行推导计算。其中，阻尼器的消耗能量按照《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013第3章之规定计算，阻尼器一周耗能：Wc＝4Fdy(ΔUdmax-ΔUdy)，其中Fdy为阻尼器的屈服力，ΔUdmax为阻尼结构水平位移，ΔUdy阻尼结构的屈服位移(起滑位移)。
图2为阻尼器的力-位移滞回曲线图，Fdy通过等代斜撑的轴力可以确定，ΔUdmax由等代斜撑的轴力与其刚度可以确定，ΔUdy包括两部分：①阻尼器的屈服位移，②实配斜撑的水平变形；
消能减震结构在水平地震作用下的总应变能为Ws＝∑Fiui/2，其中，Fi为结构第i层水平地震作用标准值，ui为第i层对应于水平地震作用标准值的位移；建筑结构附加有效阻尼比ξd＝Wc/(4πWs)；当计算出的建筑结构有效阻尼比ξ1与预先假定的有效阻尼比ξ0相差超过5％时，可以改变等代斜撑的数量和截面尺寸，从而改变阻尼器的数量和参数；当ξ1与ξ0相差小于5％时，便得到阻尼器的最优数量和参数。
有益效果：
本发明的针对支撑式阻尼器的结构设计方法具有计算有效、使用方便、可操作性强等优点，具体表现为以下几个方面：
(1)本发明采用的理论依据为《建筑抗震设计规范》GB50011-2010，其计算结果准确、可靠，能够运用于实际工程的设计中；
(2)本发明所使用的结构计算分析软件为结构设计领域普遍使用的PKPM软件，并利用Microsoft Excel软件编制数据处理表格，便于在结构设计领域推广使用；
(3)本发明适用于常用位移型阻尼器，如金属阻尼器，摩擦阻尼器等，具有普遍适用性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种支撑式阻尼器的结构设计方法，其特征在于，包括步骤：
预设附加阻尼器的结构总有效阻尼比ξ0；
假定模型中等代斜撑的尺寸，并布置于需附加阻尼器的位置；
计算附加阻尼结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的结构响应，获得等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax，并根据等代斜撑水平合力F及水平位移ΔUdmax估算阻尼器屈服力Fdy及屈服位移；
确定模型的实配斜撑的尺寸，并计算阻尼器附加的有效阻尼比ξd，根据附加阻尼比ξd和结构本体阻尼比获得模型的结构总有效阻尼比ξ1；
判断预设的结构总有效阻尼比ξ0与模型的结构总有效阻尼比ξ1误差是否在预设范围之内，若是，则根据该结构总有效阻尼比ξ1确定附加阻尼结构的各项参数，否则，调整模型中等代斜撑的数量和尺寸以重新确定附加阻尼结构的各项参数。
2.如权利要求1所述的一种支撑式阻尼器的结构设计方法，其特征在于，还包括步骤：
利用PKPM计算附加结构在预设的结构总有效阻尼比ξ0下的响应。
3.如权利要求1所述的一种支撑式阻尼器的结构设计方法，其特征在于，所述结构响应包括斜撑内力标准值，所述获得等代斜撑水平合力F具体为：
根据斜撑内力标准值计算等代斜撑水平合力F。
4.如权利要求1所述的一种支撑式阻尼器的结构设计方法，根据等代斜撑的基本信息获得等代斜撑的刚度，其特征在于，所述获得等代斜撑水平位移ΔUdmax具体为：
根据斜撑内力标准值、等代斜撑的尺寸及刚度计算等代斜撑轴向位移；
根据等代斜撑轴向位移计算附加阻尼结构的水平位移ΔUdmax。
5.如权利要求1所述的一种支撑式阻尼器的结构设计方法，其特征在于，还包括步骤：
计算实配斜撑的水平变形d；
根据实配斜撑的水平变形d和阻尼器的屈服位移获得附加阻尼结构的屈服位移Δudy。
6.如权利要求5所述的一种支撑式阻尼器的结构设计方法，其特征在于，所述计算实配斜撑的水平变形d具体为：
计算实配斜撑的轴向刚度；
根据实配斜撑的轴向刚度和阻尼器的屈服力获得实配斜撑的轴力；
根据实配斜撑的轴力计算实配斜撑的水平变形d。
7.如权利要求1所述的一种支撑式阻尼器的结构设计方法，其特征在于，所述计算阻尼器附加的有效阻尼比ξd具体为：
ξd＝Wc/(4πWs)；
其中，Wc表示结构中n个阻尼器总消耗能量，其计算公式为
每一个阻尼器的消耗能量为Wci＝4Fdy(Δudmax-Δudy)，Fdy表示阻尼器屈服力，Δudmax表示附加阻尼结构的水平位移，Δudy表示附加阻尼结构的屈服位移；Ws表示不计及扭转影响时，阻尼结构在水平低正作用下的总应变能：Ws＝∑Fiui/2，其中，Fi为结构第i层水平地震作用标准值，ui为第i层对应于水平地震作用标准值的位移。
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