CN114676543B - 一种用于两相邻建筑结构的黏弹性阻尼器设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于两相邻建筑结构减震的黏弹性阻尼器设计方法，属于建筑结构减震所使用的阻尼器设计方法，解决现有在结构间连接阻尼器设计方法繁琐、不具通用性的问题。本发明包括(1)确定两相邻结构动力特性参数及相互关系步骤；(2)确定地震作用时的减震控制目标步骤；(3)确定结构间连接的黏弹性滞阻尼器的刚度参数和阻尼参数计算步骤；(4)确定沿楼层高度方向布置阻尼器参数步骤。本发明方便快捷，仅利用两座相邻建筑结构的第一阶自振频率比、结构阻尼比和质量比，便可采用通用数据表格查取黏弹性阻尼器最优刚度参数和阻尼参数，从而确定连接阻尼器的刚度和阻尼值，能够很方便地帮助工程师们选择阻尼器的参数值，并根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

一种用于两相邻建筑结构的黏弹性阻尼器设计方法
技术领域：
本发明属于建筑结构减震所使用的阻尼器设计方法。
背景技术：
由于城市人口密集和用地持续紧张，导致建筑物之间的间距可能过小，当强震发生时建筑物之间可能发生碰撞。有的建筑物设置了变形缝，例如主体高层建筑与裙房之间，同样在强震时也可能发生碰撞现象。震害调查显示，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，例如在1985年墨西哥城大地震中，被调查的330栋严重损伤或倒塌的建筑中，超过40％发生了碰撞。在1977年的Romania地震、1994年Northridge地震、1999年Turkey地震和2008年汶川地震中，均观测到相邻结构之间的碰撞。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。
黏弹性阻尼器是常用的一种消能减振(震)装置，在结构抗震、抗风设计中有着广泛应用。在两相邻建筑结构之间连接黏弹性阻尼器组成振动控制体系(图1)，只要两结构动力特性不完全相同，在地震作用下，利用结构间的相互作用来调谐、耗能，这样既能吸收一部分地震能量从而减小结构的地震反应，又可以避免建筑结构间的碰撞。该振动控制体系中最重要的部分是阻尼器的参数设计，黏弹性阻尼器常采用Kelvin模型来模拟，它有两个重要参数，即阻尼器的刚度和阻尼系数，因此黏弹性阻尼器的设计中确定合适的刚度和阻尼系数是非常重要的环节。如果选取恰当，就能起到较好的减震效果；如果选取不当，一方面影响经济性能，另一方面可能起不到减震效果甚至带来负面影响。当确定了合适的阻尼器参数之后，就可以制作、选择符合要求的阻尼器了。
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，其阻尼器参数确定方法有二：一是通过繁琐的参数试算进行优化得到的，这需要对采用不同类型、不同参数阻尼器连接的结构振动控制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，这种参数化研究过程费时费力，而且分析结果不具有通用性；二是采用优化理论分析所得到的连接参数理论公式，通过形式简单的公式直接计算得到阻尼器参数，虽然公式简便，但经过简化、未考虑结构自身阻尼所得的参数计算式会带来一定误差从而影响减震效果。因此，需要提供数据表格来帮助工程师们选择阻尼器的优化参数，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两相邻建筑结构的黏弹性阻尼器设计方法，解决现有阻尼器设计方法繁琐、不具备通用性、误差较大等问题，使得在两相邻结构间连接黏弹性阻尼器实现结构减震的设计方便快捷。
下文中，黏弹性阻尼器连接于两相邻结构之间，水平安装，阻尼器两端分别连接于一座建筑结构的楼板处，因此两座相邻建筑结构需要具有对应楼层相同标高的楼板，若两相邻结构的楼板标高位置不对应，亦可通过在柱、梁上局部加强形成连接节点再行连接。在两相邻结构间连接黏弹性阻尼器，在阻尼器连接的水平方向实现建筑结构减震。只考虑两结构自身阻尼比相同的情况，且结构阻尼比范围为0.03～0.05。
本发明的一种用于两相邻建筑结构的黏弹性阻尼器设计方法，包括下述步骤：
(1)第一阶段：确定两相邻结构动力特性参数及相互关系步骤。
(1.1)确定结构动力特性参数
通过模态分析，得到两个相邻结构单体的动力特性参数，自振周期短、频率高的为结构A，自振周期长、频率低的为结构B。结构A、B的等效总质量分别为M1、M2，第一自振圆频率分别为ω1、ω2(ω1>ω2)。
(1.2)确定两相邻结构动力特性参数比值关系
两相邻结构之间的频率比：结构B与结构A的频率比为β＝ω2/ω1；两结构的质量比：结构A与结构B的质量比为μ＝M1/M2；结构A、B自身的阻尼比分别为ξ1、ξ2(ξ1＝ξ2)。
(2)第二阶段：确定地震作用时的减震控制目标步骤。
两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，选定的连接阻尼器参数亦不能同时使两结构减震效果同时达到最优，因此可根据以下3个减震控制目标选择其一来确定阻尼器参数。
控制目标I：使结构A的平均相对振动能量最小；
控制目标II：使结构B的平均相对振动能量最小；
控制目标III：使两个结构(A及B)总平均相对振动能量最小。
(3)第三阶段：确定结构间连接的黏弹性滞阻尼器的刚度参数和阻尼参数计算步骤。
两相邻结构中，设结构A与结构B之间连接刚度值为k0，其名义自振圆频率为连接频率比为β0＝ω0/ω1。连接的阻尼系数为c0，其名义阻尼比为ξ0＝c0/(2M1ω1)。
根据减震控制目标、结构质量比μ、频率比β和结构阻尼比ξ1(ξ2)，按表1～表5(目标I)、表6～表8(目标II)、表9～表12(目标III)确定连接频率比β0值和连接阻尼比ξ0值，即可确定连接的刚度值连接的阻尼系数值c0＝2M1ω1ξ0。
(4)第四阶段：确定沿楼层高度方向布置阻尼器参数步骤。
分别确定了连接的黏弹性阻尼器刚度值和阻尼系数值之后，再根据两相邻结构的楼层数确定连接装置数目n，将刚度值和阻尼系数值平均分配至各处，即各阻尼器的刚度和阻尼系数分别为：k0i＝k0/n，c0i＝c0/n。
表1连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝0.6)
表2连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝0.8)
表3连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝1.0)
表4连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝1.2)
表5连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝1.5)
表6连接参数ξ0(目标II，β0＝0)
表7连接参数ξ0(目标II，β0＝0)
表8连接参数ξ0(目标II，β0＝0)
表9连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
表10最优连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
表11最优连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
表12最优连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
所述的用于两相邻结构减震的黏弹性阻尼器设计方法，其特征在于：所述确定控制目标步骤中，建筑结构A(或B)的等效总质量M1(或M2)和建筑结构的第一自振圆频率ω1(或ω2)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分别表示结构A、B)
(2)计算质量矩阵M和刚度矩阵K
/>
其中，mi为结构A(或B)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分别对应于结构A、B)。
本发明方便快捷，仅利用两相邻建筑结构的阻尼比、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两相邻结构振(震)动控制体系中连接黏弹性阻尼器的最优连接刚度值和阻尼系数值，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刚度和阻尼参数值，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两相邻建筑结构示意图；
图中标记：A左建筑结构、B右建筑结构、C连接阻尼器、D地震波。
具体实施方式：
某两相邻钢筋混凝土建筑结构，结构A共10层，各层层间刚度为8.13×105kN/m，楼层质量513t；结构B共10层，各楼层刚度4.37×105kN/m，楼层质量513t。结构AB阻尼比均取0.05。拟采用连接黏弹性阻尼器方式，控制结构的地震反应使其减震效果最优。
通过模态分析得出该两相邻建筑结构A、B的基本自振频率分别为0.947Hz和0.694Hz；两结构的等效总质量分别为4.36×103t和4.36×103t。
因此，两结构间的频率比β＝ω2/ω1＝0.73，质量比μ＝M1/M2＝1.0。最优连接参数：
(1)目标Ⅰ：β0＝0.409，ξ0＝0.047；
(2)目标Ⅱ：β0＝0，ξ0＝0.077；
(3)目标Ⅲ：β0＝0，ξ0＝0.071。
例如，按控制目标I取值，则有：
连接总刚度值为：
连接总阻尼系数值为：
c0＝2M1ω1ξ0＝2×4.36×106×(2π×0.947)×0.047＝2.439×106N/(m/s)＝2.44kN/(mm/s)
再沿高度方向将k0和c0值平均分配至各阻尼器。

Claims (2)

1.一种用于两相邻建筑结构的黏弹性阻尼器设计方法，包括下述步骤：
(1)第一阶段：确定两相邻结构动力特性参数及相互关系步骤；
(1.1)确定结构动力特性参数
通过模态分析，得到两个相邻结构单体的动力特性参数，自振周期短、频率高的为结构A，自振周期长、频率低的为结构B；结构A、B的等效总质量分别为M1、M2，第一自振圆频率分别为ω1、ω2；
(1.2)确定两相邻结构动力特性参数比值关系
两相邻结构之间的频率比：结构B与结构A的频率比为β＝ω2/ω1；两结构的质量比：结构A与结构B的质量比为μ＝M1/M2；结构A、B自身的阻尼比分别为ξ1、ξ2；
(2)第二阶段：确定地震作用时的减震控制目标步骤；
两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，选定的连接阻尼器参数亦不能同时使两结构减震效果同时达到最优，因此可根据以下3个减震控制目标选择其一来确定阻尼器参数；
控制目标I：使结构A的平均相对振动能量最小；
控制目标II：使结构B的平均相对振动能量最小；
控制目标III：使两个结构(A及B)总平均相对振动能量最小；
(3)第三阶段：确定结构间连接的黏弹性滞阻尼器的刚度参数和阻尼参数计算步骤；
两相邻结构中，设结构A与结构B之间连接刚度值为k0，其名义自振圆频率为连接频率比为β0＝ω0/ω1；连接的阻尼系数为c0，其名义阻尼比为ξ0＝c0/(2M1ω1)；
根据减震控制目标、结构质量比μ、频率比β和结构阻尼比ξ1(ξ2)，按表1～表5(目标I)、表6～表8(目标II)、表9～表12(目标III)确定连接频率比β0值和连接阻尼比ξ0值，即可确定连接的刚度值连接的阻尼系数c0＝2M1ω1ξ0；
(4)第四阶段：确定沿楼层高度方向布置阻尼器参数步骤；
分别确定了连接的黏弹性阻尼器刚度值和阻尼系数值之后，再根据两相邻结构的楼层数确定连接装置数目n，将刚度值和阻尼系数值平均分配至各处，即各阻尼器的刚度和阻尼系数分别为：k0i＝k0/n，c0i＝c0/n；
表1连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝0.6)
表2连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝0.8)
表3连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝1.0)
表4连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝1.2)
表5连接参数β0和ξ0(目标I，μ＝1.5)
表6连接参数ξ0(目标II，β0＝0)
表7连接参数ξ0(目标II，β0＝0)
表8最优连接参数ξ0(目标II，β0＝0)
表9最优连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
表10最优连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
表11最优连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
表12最优连接参数ξ0(目标III，β0＝0)
。
2.如权利要求1所述的用于两相邻建筑结构的黏弹性阻尼器设计方法，其特征在于：所述确定控制目标步骤中，建筑结构A(或B)的等效总质量M1(或M2)和结构的第一自振圆频率ω1(或ω2)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表示结构A、B)
(2)计算质量矩阵M和刚度矩阵K
/>
其中，mi为结构A(或B)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对应于两个结构，自振圆频率高者为结构A，自振圆频率低者为结构B)。
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孙黄胜 ; 陈士海 ; 施卫星 ; .黏滞阻尼器连接相邻结构减震优化分析.世界地震工程.2010,(第01期),全文. *
黏滞阻尼器连接相邻结构减震优化分析;孙黄胜;陈士海;施卫星;;世界地震工程;20100315(第01期);全文 *

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