CN114444154A - 一种用于三相邻建筑结构的粘滞阻尼器设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于三相邻建筑结构的粘滞阻尼器设计方法,属于建筑结构减震在结构间所连接的黏滞阻尼器的设计方法,解决现有在结构间连接黏滞阻尼器进行减震时阻尼器参数设计方法繁琐、不具通用性的问题。本发明包括(1)确定结构动力特性特征参数及相互关系;(2)确定三相邻结构动力特性组合工况;(3)确定地震作用时的减震控制目标;(4)确定三相邻结构间连接的线性黏滞阻尼器的阻尼系数值和布置方法步骤。本发明方便快捷,仅利用三相邻建筑结构间的组合工况、质量比、第一阶自振频率比,便可采用通用数据表格查取黏滞阻尼器的最优阻尼系数值,能够很方便地帮助工程师们选择连接阻尼器的参数值,从而再据此参数来制作或选取符合要求的阻尼器,对于相邻建筑结构振动控制体系的应用推广具有重要的意义。
Description
技术领域:
本发明属于建筑结构减震在结构间所连接的黏滞阻尼器设计方法。
背景技术:
由于城市用地越来越紧张,建筑物(构筑物)之间的间距越来越小,地震时建筑物之间可能发生相 互碰撞继而产生震害。有的建筑物设置了变形缝,例如主体高层建筑与裙房之间,同样在地震时也可能 发生碰撞现象。历次大地震时都出现了建筑物间相互碰撞而产生的破坏现象,为了避免建筑物(构筑 物)之间的相互碰撞,建筑物之间必须预留足够的间距,但由于地震的随机性,碰撞有时仍难以避 免。因此有效地防止间隔很近的相邻建筑物在强震作用下发生碰撞,对于保证这些建筑物的抗震安全性 具有重要意义。
黏滞阻尼器是常用的一种消能减振(震)装置,它是利用缸体中的黏滞流体材料来回穿梭活塞运动 时产生黏滞阻尼来耗散振动能量。黏滞阻尼器是速度相关型的阻尼器,具有大阻尼、有效减振(震)、 受力合理、不提供附加刚度等特性,在结构抗震、抗风设计中有着广泛应用前景。在相邻建筑结构之间 连接黏滞阻尼器(图1),只要三结构动力特性不完全相同,在地震作用下,利用结构间的相对运动来 吸收并消耗地震能量,从而减小结构的地震反应。该振动控制体系中最重要的部分是阻尼器的参数设计, 如果选取恰当,就能起到较好的减震效果;如果选取不当,如阻尼系数过小或过大,一方面影响经济性 能,另一方面可能起不到减震效果或者出现碰撞危险。当确定了合适的阻尼器参数之后,就可以确定布 置方案并制作、选择黏滞阻尼器了。
现有的一些在相邻结构间布置阻尼器以实现减震控制的工程应用往往是通过繁琐的参数试算进行 优化研究得到的,这需要对采用不同类型、不同参数阻尼器连接的结构体系样本进行动力分析,提取控 制性能指标和结构响应指标,然后进行比较分析得到阻尼器的优化参数值,但是这种参数化研究过程不 具有通用性。因此,需要提供数据表格来帮助工程师们选择阻尼器的最优阻尼参数,这对于建筑结构群 体振动控制体系的应用推广非常必要。
发明内容:
本发明提供一种用于三相邻建筑结构的阻尼器设计方法,解决现有阻尼器参数设计方法繁琐、不具 备通用性的问题,使得在三相邻结构间连接阻尼器实现减震控制的设计方便快捷。
下文中,黏滞阻尼器均连接于三相邻结构之间,一般位于楼层处,若三相邻结构的楼层高度位置不 对应,亦可通过在柱、梁上局部加强形成连接节点。在三相邻结构间连接黏滞阻尼器,在阻尼器连接的 水平方向,利用结构间的相互作用由阻尼器消能以实现建筑结构减震。
本发明是一种用于三相邻建筑结构之间连接的黏滞阻尼器的设计方法,包括下述步骤:
(1)第一阶段:确定结构动力特性特征参数及相互关系。
(1.1)确定结构动力特性参数
通过模态分析,得到三个相邻结构单体(依次为结构A、B、C)的动力特性参数,即结构A、B、 C各自的等效总质量M1、M2和M3;第一自振圆频率ω1、ω2和ω3。
(1.2)确定三相邻结构动力特性参数比值关系
三相邻结构之间的频率比:结构B与结构A的频率比为β21=ω2/ω1;结构C与结构B的频率比为 β32=ω3/ω2;则有结构C与结构A的频率比为β31=ω3/ω1=β21β32。
三相邻结构之间的质量比:结构B与结构A的质量比为μ21=M2/M1;结构C与结构B的质量比为 μ32=M3/M2;则有结构C与结构A的质量比为μ31=M3/M1=μ21μ32。
(2)第二阶段:确定三相邻结构组合工况。
根据三相邻建筑结构的第一自振圆频率和等效总质量的相对大小,确定三结构组合工况。共分为以 下7种组合工况,即结构工况①~工况⑦(图2)。
工况①:结构A较柔(自振频率低),结构B、C相同且较刚(自振频率高);
工况②:结构A较刚,结构B、C相同且较柔;
工况③:结构A、C相同且较刚,结构B较柔;
工况④:结构A、C相同且较柔,结构B较刚;
工况⑤:结构A、B、C逐渐刚度增大;
工况⑥:结构A最柔,结构B最刚,结构C居中;
工况⑦:结构A最刚,结构B最柔,结构C居中。
根据三相邻结构的第一自振圆频率相对大小(比值),即确定了属于哪一种组合工况。
(3)第三阶段:确定地震作用时的减震控制目标。
三相邻结构间连接阻尼器实现减震目的,但不同建筑物功能、重要性可能不同,选定的连接参数亦 不能同时使三结构减震效果同时达到最优,因此可根据4个不同减震控制目标来确定阻尼器参数。
控制目标I:使建筑结构A的平均相对振动能量最小;
控制目标II:使建筑结构B的平均相对振动能量最小;
控制目标III:使建筑结构C的平均相对振动能量最小;
控制目标IV:使三个结构(A、B及C)总平均相对振动能量最小。
(4)第四阶段:确定三相邻结构间连接的线性黏滞阻尼器的阻尼系数和布置方法步骤。
(4.1)确定左、右连接阻尼参数
三相邻结构中,设结构A与结构B之间连接(左连接)阻尼系数为c01,其名义阻尼比为 ξ01=c01/(2M2ω2);结构B与结构C之间连接(右连接)阻尼系数为c02,其名义阻尼比为ξ02=c02/(2M2ω2)。 按表1~表3确定连接阻尼比ξ01和ξ02,即可确定左、右连接的阻尼系数值c01=2M2ω2ξ01,c02=2M2ω2ξ02。
(4.2)确定沿楼层高度方向布置阻尼器参数
分别确定了左、右连接黏滞阻尼器总阻尼系数值之后,再根据三相邻结构的楼层数分别确定左、右 连接装置数目n1和n2,将总阻尼系数值平均分配至各处,即各阻尼器的黏滞阻尼系数为:c01i=c01/n1, c02i=c02/n2。
表1 左、右连接处的最优连接阻尼比
表2 左、右连接处的最优连接阻尼比(结构A、C对称)
表3 左、右连接处的最优连接阻尼比(三任意结构)
所述的用于三相邻结构减震的黏滞阻尼器设计方法,其特征在于:所述确定控制目标步骤中,建筑 结构A(或B、C)的等效总质量M1(或M2、M3)和建筑结构的第一自振圆频率ω1(或ω2、ω3)依 据下述过程求得:
(1)计算各建筑结构的等效总质量
Mj=0.85(m1+m2+…+mn) (j=1,2,3表示结构A、B、C)
(2)计算质量矩阵M和刚度矩阵K
其中,mi为结构A(或B、C)的第i层的质量(重力荷载代表值对应的质量),ki为该结构第i层的层 间刚度(i=1,2,3,…,n),n为该结构的总层数;
(3)计算结构的自振频率
根据方程|K-ω2M|=0,解出n个自振圆频率,其中最小的自振频率为第一阶自振圆频率ωj(j=1,2,3 分别对应于结构A、B、C)。
本发明方便快捷,仅利用三相邻建筑结构的组合工况及质量比、频率比,便可根据不同的减震控制 目标,采用给出的数据表格确定三相邻结构振(震)动控制体系中连接黏滞阻尼器的最优连接阻尼系数, 解决了现有减震装置设计方法繁琐、不具有通用性的问题,能够很方便地帮助工程师们选择阻尼器的阻 尼参数值,从而再根据此参数值来制作、选择符合要求的阻尼器规格,这对于相邻结构振动控制体系的 应用推广具有重要的意义。
附图说明:
图1为采用阻尼器连接的三相邻建筑结构示意图;
图中标记:A左建筑结构、B中部建筑结构、C右建筑结构、D1左连接阻尼器、D2右连接阻尼器、E 地震波。
图2为三相邻建筑结构组合工况;
具体实施方式:
某三相邻建筑结构,左建筑结构A共20层,各层层间刚度为2.2×106kN/m,楼层质量1500t;中 部建筑结构B共17层,各楼层刚度2.8×106kN/m,楼层质量1500t;右建筑结构C共15层,楼层质量 为1000t。拟采用连接线性黏滞阻尼器方式,控制中部结构B的地震反应使其减震效果最优。
通过模态分析得出该三相邻建筑结构的基本自振频率分别为0.4669Hz、0.6170Hz、0.8061Hz;三结 构的等效总质量分别为2.55×104t、2.17×104t和1.28×104t。
因此,三结构间的频率比为ω2/ω1=1.321,ω3/ω2=1.306,质量比为M2/M1=0.850,M3/M2=0.588。 最优连接参数:(1)目标Ⅰ:ξ01=0.20,ξ02=0.20;(2)目标Ⅱ:ξ01=0.16,ξ02=0.20;(3)目标Ⅲ:ξ01=0.20, ξ02=0.13;(4)目标IV:ξ01=0.20,ξ02=0.20。
当按控制目标Ⅱ取值,则左连接总阻尼系数值为:
c01=2m2ω2ξ01=2×2.17×107×(2π×0.617)×0.16=2.692×107N/(m/s)=2.692×104kN/(m/s);
右连接总阻尼系数值为:
c02=2m2ω2ξ02=2×2.17×107×(2π×0.617)×0.20=3.365×107N/(m/s)=3.365×104kN/(m/s)。
再沿高度方向将c01、c02值平均分配至各阻尼器。
Claims (2)
1.一种用于三相邻建筑结构的减震设计方法,包括下述步骤:
(1)第一阶段:确定结构动力特性特征参数及相互关系。
(1.1)确定结构动力特性参数
通过模态分析,得到三个相邻结构单体(依次为结构A、B、C)的动力特性参数,即结构A、B、C各自的等效总质量M1、M2和M3;第一自振圆频率ω1、ω2和ω3。
(1.2)确定三相邻结构动力特性参数比值关系
三相邻结构之间的频率比:结构B与结构A的频率比为β21=ω2/ω1;结构C与结构B的频率比为β32=ω3/ω2;则有结构C与结构A的频率比为β31=ω3/ω1=β21β32。
三相邻结构之间的质量比:结构B与结构A的质量比为μ21=M2/M1;结构C与结构B的质量比为μ32=M3/M2;则有结构C与结构A的质量比为μ31=M3/M1=μ21μ32。
(2)第二阶段:确定三相邻结构组合工况。
根据三相邻建筑结构的第一自振圆频率和等效总质量的相对大小,确定三结构组合工况。共分为以下7种组合工况,即结构工况①~工况⑦。
工况①:结构A较柔(自振频率低),结构B、C相同且较刚(自振频率高);
工况②:结构A较刚,结构B、C相同且较柔;
工况③:结构A、C相同且较刚,结构B较柔;
工况④:结构A、C相同且较柔,结构B较刚;
工况⑤:结构A、B、C逐渐刚度增大;
工况⑥:结构A最柔,结构B最刚,结构C居中;
工况⑦:结构A最刚,结构B最柔,结构C居中。
根据三相邻结构的第一自振圆频率相对大小(比值),即确定了属于哪一种组合工况。(3)第三阶段:确定地震作用时的减震控制目标。
三相邻结构间连接阻尼器实现减震目的,但不同建筑物功能、重要性可能不同,选定的连接参数亦不能同时使三结构减震效果同时达到最优,因此可根据4个不同减震控制目标来确定阻尼器参数。
控制目标I:使建筑结构A的平均相对振动能量最小;
控制目标II:使建筑结构B的平均相对振动能量最小;
控制目标III:使建筑结构C的平均相对振动能量最小;
控制目标IV:使三个结构(A、B及C)总平均相对振动能量最小。
(4)第四阶段:确定三相邻结构间连接的线性粘滞阻尼器的阻尼系数和布置方法步骤。
(4.1)确定左、右连接阻尼参数
三相邻结构中,设结构A与结构B之间连接(左连接)阻尼系数为c01,其名义阻尼比为ξ01=c01/(2M2ω2);结构B与结构C之间连接(右连接)阻尼系数为c02,其名义阻尼比为ξ02=c02/(2M2ω2)。按表1~表3确定连接阻尼比ξ01和ξ02,即可确定左、右连接的阻尼系数值c01=2M2ω2ξ01,c02=2M2ω2ξ02。
(4.2)确定沿楼层高度方向布置阻尼器参数
分别确定了左、右连接粘滞阻尼器总阻尼系数值之后,再根据三相邻结构的楼层数分别确定左、右连接装置数目n1和n2,将总阻尼系数值平均分配至各处,即各阻尼器的粘滞阻尼系数为:c01i=c01/n1,c02i=c02/n2。
表1左、右连接处的最优连接阻尼比
表2左、右连接处的最优连接阻尼比(结构A、C对称)
表3左、右连接处的最优连接阻尼比(三任意结构)
2.如权利要求1所述的用于三相邻建筑结构的减震设计方法,其特征在于:所述确定控制目标步骤中,建筑结构A(或B、C)的等效总质量M1(或M2、M3)和结构的第一自振圆频率ω1(或ω2、ω3)依据下述过程求得:
(1)计算各建筑结构的等效总质量
Mj=0.85(m1+m2+…+mn)(j=1,2,3表示结构A、B、C)
(2)计算质量矩阵M和刚度矩阵K
其中,mi为结构A(或B、C)的第i层的质量(重力荷载代表值对应的质量),ki为该结构第i层的层间刚度(i=1,2,3,…,n),n为该结构的总层数;
(3)计算塔楼结构的自振频率
根据方程|K-ω2M|=0,解出n个自振圆频率,其中最小的自振频率即为第一阶自振圆频率ωj(j=1,2,3对应于结构A、B、C)。
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