CN114297757A - 基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法 - Google Patents

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CN114297757A CN202111608071.6A CN202111608071A CN114297757A CN 114297757 A CN114297757 A CN 114297757A CN 202111608071 A CN202111608071 A CN 202111608071A CN 114297757 A CN114297757 A CN 114297757A
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欧阳郁汀
施竹珺
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Abstract

本发明公开了一种基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法，包括步骤1、建立多层框架结构的等效缩阶模型；步骤2、基于多层框架结构的等效缩阶模型设计基于子结构的消能减震装置参数；步骤3、在有限元软件中，模拟验证所设计的消能减震装置的有效性；和步骤4、在真实结构的关键节点安装监测系统，基于震后数据对步骤1的模型进行模型更新，重复步骤2和步骤3，实现震后建筑功能的快速恢复。本发明的方法基于多目标优化设计基于子结构的控制参数，利用震后数据实现模型更新，可以避免因系统误差、观测误差或观测信息完备性不足导致的控制效率下降的问题，确保本方法的控制效果和鲁棒性。

Description

基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法
技术领域
本发明涉及土木工程的减隔震技术领域，具体地说，是关于一种基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法。
背景技术
传统的抗震/振强度体系和抗震/振延性体系难以解决结构安全性问题、结构功能丧失问题以及结构破坏问题，因此，在被动消极抗震/振方法的基础上，发展一类新 型防震/振技术体系(隔震、消能减振技术体系)十分必要。目前，常用的减/隔震结 构体系是在结构上增加减/隔震耗能装置以实现对结构震/振动的控制；例如：在结构 层间增加粘滞阻尼器、在结构模态敏感位置增加调谐质量阻尼器、在结构基础或层间 设置支座等。在上述应用中，被动消能减震装置主要起到消耗地震能量、减少结构损 伤的作用；将该机制引入巨型-子结构设计中，形成了一种基于减振子结构的巨型框 架结构体系。而对于普通剪切型多层框架结构，屋顶绿化等非结构构件或设施也属于 框架结构的子结构；因此，针对这一类结构，发展具有子结构减振功能的减震技术具 有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术所存在的缺陷，从而提供一种基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法，所述框架结构的子结构包括多层框架结构，位于所述多层框架结构上的环状矮墙，底部借助摩擦型支座放 置于所述环状矮墙内的子结构，设置于所述环状矮墙内壁上的一层或多层碰撞耗能材 料，以及设置于所述环状矮墙内壁上的若干个立方刚度非线性弹簧；
所述多层框架消能减震设计方法包括以下步骤：
步骤1、建立多层框架结构的等效缩阶模型；
步骤2、基于多层框架结构的等效缩阶模型设计基于子结构的消能减震装置参数；
步骤3、在有限元软件中，模拟验证所设计的消能减震装置的有效性；
步骤4、在真实结构的关键节点安装监测系统，基于震后数据对步骤1的模型进 行模型更新，重复步骤2和步骤3，实现震后建筑功能的快速恢复。
进一步的，所述步骤1包括：
步骤1.1、建立多层框架的有限元模型，计算在不同地震波作用下结构的动力响应；
步骤1.2、地震作用下，建立多层框架的有限元模型的等效缩阶模型，即多自由 度系统的基本运动方程:
Figure BDA0003426418460000021
根据缩阶模型得到框架的状态空间方程：
Figure BDA0003426418460000022
其中：Z表示系统的状态量，
Figure BDA0003426418460000023
Figure BDA0003426418460000024
表示系统的观测量
Figure BDA0003426418460000025
Figure BDA0003426418460000026
表示系统状态的相对量；
Figure BDA0003426418460000027
为绝对加速度；
状态矩阵和观测矩阵分别为：
Figure BDA0003426418460000028
在所述状态空间方程中，地震动
Figure BDA0003426418460000029
为状态空间方程的输入，结构响应为状态空 间方程的输出
Figure BDA00034264184600000210
状态空间方程输入至输出的传递函数关系由缩阶模型的质量参数、 刚度参数和阻尼参数确定。
进一步的，所述步骤2包括：
步骤2.1、根据结构的设计尺寸，确定缩阶模型各自由度的质量参数，确定各自 由度刚度和阻尼参数的取值范围；随机挑选Q个模型，其对应的参数组记为z，基于 已知的地震波，计算Q个模型的响应；
步骤2.2、为评价各模型的性能，定义评价函数为
Figure BDA0003426418460000031
其中，rms为均方根算子；
Figure BDA0003426418460000032
为参数组z对应的模型中第i个节点的响应输 出；yi(t)为有限元模型第i个节点的量测响应；N为量测节点总数；
利用评价函数评估步骤2.1的模型，基于微分演化算法，对Q组模型进行优选及 重组，得到新的Q个模型；
步骤2.3、为评价新的模型的性能，重复步骤2.2的评估过程，当得到的评估结 果不再变化时，得到多层框架结构的等效缩阶模型；
步骤2.4、地震作用下，受控多自由度系统的运动方程表示为：
Figure BDA0003426418460000033
其中，G是控制力向量Fa的作用位置矩阵，矩阵：
Figure BDA0003426418460000034
步骤2.5、控制力Fa作用在框架顶层，表示为摩擦型支座的摩擦系数μ，子结构 的质量md，立方刚度非线性弹簧的刚度kN、碰撞耗能材料的碰撞系数rc以及子结构 相对运动状态uN的函数，即Fa(md,kN,rc,μ,uN)；
步骤2.6、确定建筑工程抗震设防分类、抗震设防烈度和设计基本地震加速度取值；结合场地条件，确定反应谱；根据反应谱选择天然地震加速度时程和人工地震加 速度时程；
步骤2.7、以减振后结构的加速度和位移响应为优化目标J2，基于所选的地震加速度工况，设计摩擦型支座的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧的刚度kN和碰撞耗 能材料的碰撞系数rc；
以减振装置的能量耗散效率为优化目标J3，基于所选的地震加速度工况，设计 摩擦型支座的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧的刚度kN和碰撞耗能材料的碰撞系 数rc；
步骤2.8、步骤2.7从不同角度评价控制效率，得到的控制装置设计参数分别满 足优化目标J2和J3；为使所设计的控制装置参数同时满足J2和J3，提出基于帕雷 托前置面的多目标优化问题，并利用遗传算法NSGA-II算法优化控制装置参数。
进一步的，所述步骤3包括：建立由步骤2.8优化得到的控制装置的有限元模型，代入原结构中进行有效性验算。
进一步的，所述步骤4包括：
步骤4.1、在实际结构的关键节点中，布置监测系统；在经历强震后，基于监测 数据，对多层框架的有限元模型进行更新；
步骤4.2、重复步骤2至步骤3，进行震后减振装置的快速设计，以实现建筑功 能的快速恢复。
根据本发明，所述环状矮墙的截面为圆环截面或多边形截面，内侧壁设置预留孔；所述碰撞耗能材料借助所述预留孔通过高强螺栓与所述环状矮墙固定连接；所述立方 刚度非线性弹簧借助所述预留孔通过高强螺栓与所述环状矮墙固定连接。
进一步的，所述立方刚度非线性弹簧沿所述环状矮墙内侧壁均匀布置。
根据本发明，所述碰撞耗能材料的截面形状同样为圆环截面或多边形截面；且所述碰撞耗能材料固定在所述立方刚度非线性弹簧的上侧和下侧。
根据本发明，所述摩擦型支座与所述子结构的底部通过高强螺栓或焊接固定连接， 且所述摩擦型支座的顶部和所述子结构的底部均涂覆有硅脂。
本发明的基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法具有以下有益效果：
1、在地震作用下，多层框架结构的顶层响应往往最大，合理利用结构屋面的非 结构构件或设施如屋面绿化等作为减震质量块，不影响原结构的使用功能和空间功能。
2、立方刚度非线性弹簧可实现振动能量从主体结构至耗能元件的单向传递，所吸收的能量通过摩擦机制和碰撞机制消耗。
3、子结构采用高强度高弹性构件设计，非线性耗能主要由摩擦支座和碰撞耗能材料实现，通过震后更换耗能元件，可实现结构功能的快速恢复。
4、减振子结构结合非线性弹簧和耗能元件构成传统意义的非线性能量肼；与安装消能减震控制装置的普通框架结构相比，本发明的质量块选用子结构，具有更大的 参振质量。
5、子结构的质量可以精密调节；以屋面绿化设施为例，子结构质量可以根据覆 土层厚度与压实程度精确调节。
6、一般而言，人们对于客观世界现象的描述或预测总是基于一定的假设，如果 假设符合实际，人们对现象的主观描述或预测便可以与客观系统精确吻合，否则，客 观现象与主观描述或预测之间会存在偏离；基于多目标优化设计基于子结构的控制参 数，利用震后数据实现模型更新，可以避免因系统误差、观测误差或观测信息完备性 不足导致的控制效率下降的问题，确保本方法的控制效果和鲁棒性。
附图说明
图1为框架结构的子结构的示意图。
图2为图1俯视图。
图3为本发明的设计流程示意图。
图中，1-多层框架结构；2-环状矮墙；3-碰撞耗能材料；4-子结构；5-摩擦型支 座；6-立方刚度非线性弹簧。
具体实施方式
下面结合附图，以具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解，所描述的实施例仅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 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，都属于本发明的范围。
如图1和图2所示，为框架结构的子结构的示意图。所述子结构包括多层框架结 构1，位于所述多层框架结构1上的环状矮墙2，底部借助摩擦型支座5放置于所述 环状矮墙2内的子结构4，设置于所述环状矮墙2内壁上的一层或多层碰撞耗能材料 3，以及设置于所述环状矮墙2内壁上的若干个立方刚度非线性弹簧6。
其中，所述立方刚度非线性弹簧6为子结构4提供横向刚度，所述摩擦型支座5 为子结构4提供竖向刚度；所述子结构4与碰撞耗能材料3之间通过碰撞释放水平振 动的能量，所述摩擦型支座5与子结构4之间通过摩擦耗能。
所述多层框架结构1和所述环状矮墙2之间采用整体浇筑方式施工；所述环状矮墙2的截面为圆环截面或多边形截面；所述环状矮墙2的截面尺寸根据原结构屋面子 结构的设计尺寸确定。
所述环状矮墙2内侧壁设置预留孔(图中未示出)；所述碰撞耗能材料3借助所 述预留孔与所述环状矮墙2通过高强螺栓固定连接；所述立方刚度非线性弹簧6也借 助所述预留孔与所述环状矮墙2通过高强螺栓固定连接；所述立方刚度非线性弹簧6 沿所述环状矮墙2内侧壁均匀布置，以图示的圆环形截面的环状矮墙2为例，立方刚 度非线性弹簧6沿环状矮墙2的圆环形截面均匀对称布置，共设置12个；所述碰撞 耗能材料3的截面形状同样为圆环截面或多边形截面；所述碰撞耗能材料3固定在所 述立方刚度非线性弹簧6的上侧和下侧。
所述摩擦型支座5与所述多层框架结构屋面通过高强螺栓或焊接固定连接；所述摩擦型支座5的顶部涂覆硅脂；所述子结构4的底部也涂覆硅脂；硅脂的涂覆要求根 据设计摩擦系数确定；设计摩擦系数根据抗震耗能要求确定。
所述碰撞耗能材料3选用铅板或高阻尼橡胶；所述碰撞耗能材料3用于防止子结构4与环状矮墙2发生碰撞破坏；所述碰撞耗能材料3采用可更换构件。
所述立方刚度非线性弹簧6可实现振动能量从主体结构至耗能元件的单向传递。
结合图3所示，本发明的基于子结构的多层框架消能减震设计方法的设计步骤可以概况为：
步骤1、建立多层框架结构的等效缩阶模型；
步骤2、基于多层框架结构的等效缩阶模型设计基于子结构的消能减震装置参数；
步骤3、在有限元软件中，模拟验证所设计的消能减震装置的有效性；
步骤4、在真实结构的关键节点安装监测系统，基于震后数据对步骤1的模型进 行模型更新，重复步骤2和步骤3，实现震后建筑功能的快速恢复。
具体的，所述步骤1包括：
步骤1.1、建立多层框架的有限元模型，计算在不同地震波作用下结构的动力响应；
步骤1.2、地震作用下，建立多层框架的有限元模型的等效缩阶模型，即多自由 度系统的基本运动方程：
Figure BDA0003426418460000061
根据缩阶模型得到框架的状态空间方程：
Figure BDA0003426418460000062
其中：Z表示系统的状态量，
Figure BDA0003426418460000071
表示系统的观测量
Figure BDA0003426418460000072
Figure BDA0003426418460000073
表示系统状态的相对量；
Figure BDA0003426418460000074
为绝对加速度；
状态矩阵和观测矩阵分别为：
Figure BDA0003426418460000075
在所述状态空间方程中，地震动
Figure BDA0003426418460000076
为状态空间方程的输入，结构响应为状态空间方程的输出
Figure BDA0003426418460000077
状态空间方程输入至输出的传递函数关系由缩阶模型的质量参数、 刚度参数和阻尼参数确定。
进一步的，所述步骤2包括：
步骤2.1、根据结构的设计尺寸，确定缩阶模型各自由度的质量参数，确定各自 由度刚度和阻尼参数的取值范围；随机挑选Q个模型，其对应的参数组记为z，基于 已知的地震波，计算Q个模型的响应；
步骤2.2、为评价各模型的性能，定义评价函数为
Figure BDA0003426418460000078
其中，rms为均方根算子；
Figure BDA0003426418460000079
为参数组z对应的模型中第i个节点的响应输 出；yi(t)为有限元模型第i个节点的量测响应；N为量测节点总数；
利用评价函数评估步骤2.1的模型，基于微分演化算法，对Q组模型进行优选及 重组，得到新的Q个模型；
步骤2.3、为评价新的模型的性能，重复步骤2.2的评估过程，当得到的评估结 果不再变化时，得到多层框架结构的等效缩阶模型；
步骤2.4、地震作用下，受控多自由度系统的运动方程可以表示为：
Figure BDA00034264184600000710
其中，G是控制力向量Fa的作用位置矩阵，矩阵：
Figure BDA00034264184600000711
步骤2.5、控制力Fa作用在框架顶层，可以表示为摩擦型支座(5)的摩擦系数μ， 子结构(4)的质量md，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度kN、碰撞耗能材料(3) 的碰撞系数rc以及子结构(4)相对运动状态uN的函数，即Fa(md,kN,rc,μ,uN)；
步骤2.6、确定建筑工程抗震设防分类、抗震设防烈度和设计基本地震加速度取值；结合场地条件，确定反应谱；根据反应谱选择天然地震加速度时程和人工地震加 速度时程；
步骤2.7、以减振后结构的加速度和位移响应为优化目标J2，基于所选的地震加速度工况，设计摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度kN和碰撞耗能材料(3)的碰撞系数rc；
以减振装置的能量耗散效率为优化目标J3，基于所选的地震加速度工况，设计 摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度kN和碰撞耗能材 料(3)的碰撞系数rc；
步骤2.8、步骤2.7从不同角度评价控制效率，得到的控制装置设计参数分别满 足优化目标J2和J3；为使所设计的控制装置参数同时满足J2和J3，提出基于帕雷 托前置面的多目标优化问题，并利用遗传算法NSGA-II算法优化控制装置参数。
步骤3包括：建立由步骤2.8优化得到的控制装置的有限元模型，代入原结构中 进行有效性验算。
步骤4包括：
步骤4.1、在实际结构的关键节点中，布置监测系统；在经历强震后，基于监测 数据，对多层框架有限元模型进行更新；
步骤4.2、重复步骤2至步骤3，进行震后减振装置的快速设计，以实现建筑功 能的快速恢复。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领 域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发 明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于框架结构的子结构的多层框架消能减震设计方法，所述框架结构的子结构包括多层框架结构(1)，位于所述多层框架结构(1)上的环状矮墙(2)，底部借助摩擦型支座(5)放置于所述环状矮墙(2)内的子结构(4)，设置于所述环状矮墙(2)内壁上的一层或多层碰撞耗能材料(3)，以及设置于所述环状矮墙(2)内壁上的若干个立方刚度非线性弹簧(6)；
其特征在于，所述多层框架消能减震设计方法包括以下步骤：
步骤1、建立多层框架结构的等效缩阶模型；
步骤2、基于多层框架结构的等效缩阶模型设计基于子结构的消能减震装置参数；
步骤3、在有限元软件中，模拟验证所设计的消能减震装置的有效性；
步骤4、在真实结构的关键节点安装监测系统，基于震后数据对步骤1的模型进行模型更新，重复步骤2和步骤3，实现震后建筑功能的快速恢复。
2.根据权利要求1所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1.1、建立多层框架的有限元模型，计算在不同地震波作用下结构的动力响应；
步骤1.2、地震作用下，建立多层框架的有限元模型的等效缩阶模型，即多自由度系统的基本运动方程：
Figure FDA0003426418450000011
根据缩阶模型得到框架的状态空间方程：
Figure FDA0003426418450000012
其中：Z表示系统的状态量，
Figure FDA0003426418450000013
Figure FDA0003426418450000014
表示系统的观测量
Figure FDA0003426418450000015
xT，
Figure FDA0003426418450000016
表示系统状态的相对量；
Figure FDA0003426418450000017
为绝对加速度；
状态矩阵和观测矩阵分别为：
Figure FDA0003426418450000018
在所述状态空间方程中，地震动
Figure FDA0003426418450000019
为状态空间方程的输入，结构响应为状态空间方程的输出
Figure FDA00034264184500000110
状态空间方程输入至输出的传递函数关系由缩阶模型的质量参数、刚度参数和阻尼参数确定。
3.根据权利要求1所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1、根据结构的设计尺寸，确定缩阶模型各自由度的质量参数，确定各自由度刚度和阻尼参数的取值范围；随机挑选Q个模型，其对应的参数组记为z，基于已知的地震波，计算Q个模型的响应；
步骤2.2、为评价各模型的性能，定义评价函数为
Figure FDA0003426418450000021
其中，rms为均方根算子；
Figure FDA0003426418450000022
为参数组z对应的模型中第i个节点的响应输出；yi(t)为有限元模型第i个节点的量测响应；N为量测节点总数；
利用评价函数评估步骤2.1的模型，基于微分演化算法，对Q组模型进行优选及重组，得到新的Q个模型；
步骤2.3、为评价新的模型的性能，重复步骤步骤2.2的评估过程，当得到的评估结果不再变化时，得到多层框架结构的等效缩阶模型；
步骤2.4、地震作用下，受控多自由度系统的运动方程表示为：
Figure FDA0003426418450000023
其中，G是控制力向量Fa的作用位置矩阵，矩阵：
Figure FDA0003426418450000024
步骤2.5、控制力Fa作用在框架顶层，表示为摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，子结构(4)的质量md，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度kN、碰撞耗能材料(3)的碰撞系数rc以及子结构(4)相对运动状态uN的函数，即Fa(md,kN,rc,μ,uN)；
步骤2.6、确定建筑工程抗震设防分类、抗震设防烈度和设计基本地震加速度取值；结合场地条件，确定反应谱；根据反应谱选择天然地震加速度时程和人工地震加速度时程；
步骤2.7、以减振后结构的加速度和位移响应为优化目标J2，基于所选的地震加速度工况，设计摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度kN和碰撞耗能材料(3)的碰撞系数rc；
以减振装置的能量耗散效率为优化目标J3，基于所选的地震加速度工况，设计摩擦型支座(5)的摩擦系数μ，立方刚度非线性弹簧(6)的刚度kN和碰撞耗能材料(3)的碰撞系数rc；
步骤2.8、步骤2.7从不同角度评价控制效率，得到的控制装置设计参数分别满足优化目标J2和J3；为使所设计的控制装置参数同时满足J2和J3，提出基于帕雷托前置面的多目标优化问题，并利用遗传算法NSGA-II算法优化控制装置参数。
4.根据权利要求3所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述步骤3包括：建立由步骤2.8优化得到的控制装置的有限元模型，代入原结构中进行有效性验算。
5.根据权利要求1所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1、在实际结构的关键节点中，布置监测系统；在经历强震后，基于监测数据，对多层框架的有限元模型进行更新；
步骤4.2、重复步骤2至步骤3，进行震后减振装置的快速设计，以实现建筑功能的快速恢复。
6.根据权利要求1所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述环状矮墙(2)的截面为圆环截面或多边形截面，内侧壁设置预留孔；所述碰撞耗能材料(3)借助所述预留孔通过高强螺栓与所述环状矮墙(2)固定连接；所述立方刚度非线性弹簧(6)借助所述预留孔通过高强螺栓与所述环状矮墙(2)固定连接。
7.根据权利要求6所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述立方刚度非线性弹簧(6)沿所述环状矮墙(2)内侧壁均匀布置。
8.根据权利要求7所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述碰撞耗能材料(3)的截面形状同样为圆环截面或多边形截面；且所述碰撞耗能材料(3)固定在所述立方刚度非线性弹簧(6)的上侧和下侧。
9.根据权利要求1所述的多层框架消能减震设计方法，其特征在于，所述摩擦型支座(5)与所述子结构(4)的底部通过高强螺栓或焊接固定连接，且所述摩擦型支座(5)的顶部和所述子结构(4)的底部均涂覆有硅脂。
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CN117761759A (zh) * 2024-02-22 2024-03-26 北京赛福思创减震科技股份公司 减隔震建筑的地震反应监测系统
CN117761759B (zh) * 2024-02-22 2024-05-07 北京赛福思创减震科技股份公司 减隔震建筑的地震反应监测系统

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