CN117569486A - 一种自复位摇摆墙结构及其性能设计方法 - Google Patents

一种自复位摇摆墙结构及其性能设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自复位摇摆墙结构的性能设计方法，涉及抗震结构。在摇摆墙和框架结构之间设有速度型阻尼器和位移型阻尼器；根据摇摆墙和框架结构的性能设计指标获取目标位移比及目标剪力比；绘制所述目标位移比的位移减震性能曲线及目标剪力比的剪力减震性能曲线，并获取这两曲线交点的坐标值，以得到附加刚度需求值及附加阻尼比需求值；根据所述附加刚度需求值及附加阻尼比需求值确定位移型阻尼器的屈曲约束支撑参数及速度型阻尼器的阻尼参数。本发明还公开了一种自复位摇摆墙结构。本发明耗能能力强、设计方法简易、整体控制性能好、易于拆卸组装。

Description

一种自复位摇摆墙结构及其性能设计方法
技术领域
本发明涉及抗震结构，更具体地说，它涉及一种自复位摇摆墙结构及其性能设计方法。
背景技术
自复位摇摆墙是底部具有转动能力的特殊墙体，由于地震作用自复位摇摆墙会产生变形，而后布置在墙体中的后张预应力钢绞线或者SMA材料的“超弹性”使结构恢复到初始状态。自复位摇摆墙与框架结构通过一定的连接方式连接后，可以控制结构的屈服机制，提高结构的耗能能力，使结构尽可能达到设计规范建议的“强柱弱梁”设计理念。但是现有的摇摆墙设计还存在如下缺点：刚性杆作为摇摆墙和主体结构的连接件是钢筋混凝土形式，耗能过程伴随自身的破坏，而且从经济性角度分析，它的制作和破坏以后的拆卸都有非常高的经济成本。因此，对摇摆墙附加既具有良好耗能能力又易于拆卸的阻尼器，与自复位摇摆墙搭配来保护主体结构是一种更好的选择。目前有关结构减震控制的研究，绝大多数都集中于采用单一类型的阻尼器进行结构减震，存在以下不足：
（1）单独采用位移型阻尼器进行减震，主要是从增大结构刚度角度出发，往往只能通过增大其吨位与数量的方式控制结构地震响应，随着材料用量的增大，对连接节点的要求会更苛刻，同时会使得结构内力显著增大。
（2）单独采用速度型阻尼器进行减震，由于其刚度极其微小，无法提高主体结构刚度，难以有效降低结构在地震作用下的变形响应，当结构变形验算超限时，一味增加阻尼器的用量效率不佳，而且工程造价会大幅增加，不符合经济性要求。
总的来说，传统的设计方法仅针对单一阻尼器，而缺少一种简易的组合阻尼器理论设计方法。在应用于组合阻尼器连接的自复位摇摆墙结构时，由于两类阻尼器间的相互影响，根据原单一阻尼器设计方法得出的构件参数并不适用。
因此，研制开发一种耗能能力强、设计方法简易、整体控制性能好、易于拆卸组装的框架-摇摆墙结构显得迫切而且特别有意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，一种自复位摇摆墙结构及其性能设计方法，通过两类阻尼器的性能优势，在不同强度等级的地震作用下，结构体系中的阻尼器始终能发挥耗能作用，实现分阶段耗能，有效降低主体结构地震响应。
本发明的目的一提供一种自复位摇摆墙结构的性能设计方法，在摇摆墙和框架结构之间设有速度型阻尼器和位移型阻尼器；
根据摇摆墙和框架结构的性能设计指标获取目标位移比及目标剪力比；
绘制所述目标位移比的位移减震性能曲线及目标剪力比的剪力减震性能曲线，并获取这两曲线交点的坐标值，以得到附加刚度需求值及附加阻尼比需求值；
根据所述附加刚度需求值及附加阻尼比需求值确定位移型阻尼器的屈曲约束支撑参数及速度型阻尼器的阻尼参数。
上述的性能设计方法实现了两种阻尼器在自复位摇摆墙结构中的应用，且充分利用两类阻尼器的性能优势，在不同强度等级的地震作用下，结构体系中的阻尼器始终能发挥耗能作用，实现分阶段耗能，有效降低主体结构地震响应。
作进一步的改进，所述目标位移比通过下式表示：
；
式中，为屈曲约束支撑附加刚度与无控自复位摇摆结构刚度之比；/>为自复位摇摆墙结构的衰减指数；/>为速度型阻尼器提供的附加阻尼比；/>为无控自复位摇摆墙结构自振周期；/>为自复位摇摆墙结构顶点位移与无控自复位摇摆墙结构顶点位移之比；/>为建筑所在场地特征周期。
作进一步的改进，所述目标剪力比通过下式表示：
；
式中，为屈曲约束支撑附加刚度与无控自复位摇摆结构刚度之比；/>为速度型阻尼器提供的附加阻尼比；/>为无控自复位摇摆墙结构自振周期；/>为自复位摇摆墙结构地震剪力与无控自复位摇摆墙结构地震剪力之比；/>为建筑所在场地特征周期。
本发明的目的二提供，一种自复位摇摆墙结构，包括摇摆墙、框架结构、速度型阻尼器和位移型阻尼器；所述速度型阻尼器和位移型阻尼器均安装在摇摆墙与框架结构之间，所述速度型阻尼器和位移型阻尼器分别应用所述的性能设计方法确定位移型阻尼器的屈曲约束支撑参数及速度型阻尼器的阻尼参数。
作进一步的改进，所述速度型阻尼器布置在框架结构的上部楼层，所述位移型阻尼器布置在框架结构的下部楼层。
作进一步的改进，所述速度型阻尼器采用的是黏滞阻尼器。
作进一步的改进，所述位移型阻尼器采用的是防屈曲支撑。
作进一步的改进，所述摇摆墙包括基座和墙体；所述墙体上沿纵向设有若干预留孔道，所述预留孔道内设有预应力筋；所述基座上开设有与预留孔道相配合的通孔，所述预应力筋的两端分别通过锚具固定在预留孔道与通孔中。
有益效果
本发明的优点在于：
1.充分利用两类阻尼器的性能优势，在不同强度等级的地震作用下，结构体系中的阻尼器始终能发挥耗能作用，实现分阶段耗能，有效降低主体结构地震响应。
2.相对于传统框架-摇摆墙采用的刚性连接方式，该组合连接方式施工更加简易方便，同时在震后便于更换，使得结构在震后重建中可以快速恢复使用功能。
3.该性能设计方法可以实现对结构的刚度调节和附加阻尼的灵活控制，在保证结构抗震性能的同时体现良好的经济性，为结构的抗震设计提供了一个比较理想的途径。
附图说明
图1为本发明的自复位摇摆墙结构示意图；
图2为本发明的减震性能曲线图；
图3为本发明的摇摆墙中预应力钢筋的构造示意图。
其中：1-速度型阻尼器、2-位移型阻尼器、3-摇摆墙、4-框架结构、5-墙体、6-预应力筋、7-预留孔道、8-锚具。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何人在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
参阅图1-图2，本发明的一种自复位摇摆墙结构的性能设计方法，首先在摇摆墙3和框架结构4之间设有速度型阻尼器1和位移型阻尼器2。然后对速度型阻尼器1和位移型阻尼器2的参数进行设计。具体步骤如下。
步骤一、根据摇摆墙和框架结构的性能设计指标获取目标位移比及目标剪力比。
在本实施例中，根据下述的目标位移比公式可以确定框架结构4上基于位移的附加刚度与阻尼的值。
。
式中，为屈曲约束支撑附加刚度与无控自复位摇摆结构刚度之比；/>为自复位摇摆墙结构的衰减指数；/>为速度型阻尼器提供的附加阻尼比；/>为无控自复位摇摆墙结构自振周期；/>为自复位摇摆墙结构顶点位移与无控自复位摇摆墙结构顶点位移之比；/>为建筑所在场地特征周期。
根据下述的目标剪力比公式可以确定框架结构4上基于剪力的附加刚度与阻尼值。
。
式中，为屈曲约束支撑附加刚度与无控自复位摇摆结构刚度之比；/>为速度型阻尼器提供的附加阻尼比；/>为无控自复位摇摆墙结构自振周期；/>为自复位摇摆墙结构地震剪力与无控自复位摇摆墙结构地震剪力之比；/>为建筑所在场地特征周期。
步骤二、根据步骤一中的公式所计算得到的附加刚度与阻尼值即可绘制出目标位移比的位移减震性能曲线及目标剪力比的剪力减震性能曲线。然后将这两条曲线绘制在同一坐标体系下，可以得到组合附加阻尼器连接的自复位摇摆墙结构的减震性能曲线图。从该减震性能曲线图中获取两曲线交点的坐标值，以该坐标值的纵坐标作为附加刚度需求值、横坐标作为附加阻尼比需求值。
在该步骤的减震性能曲线图中，可将一个位移减震性能曲线与多个剪力减震性能曲线进行绘制相交，反之亦然。如此即可获取到多组不同的需求值，方便后续的阻尼器选型。
步骤三、根据附加刚度需求值及附加阻尼比需求值确定位移型阻尼器的屈曲约束支撑参数及速度型阻尼器的阻尼参数。即只需根据所得到的附加刚度需求值及附加阻尼比需求值进行位移型阻尼器和速度型阻尼器的选择，以使其参数要求满足需求值即可。
本实施例通过上述方法的设计，实现了将两种类型的阻尼器应用于自复位摇摆墙结构中。在地震中，速度型阻尼器1先通过耗能来降低结构地震响应；而位移型阻尼器2则保持弹性，为结构提供刚度而控制变形。中震或大震下，位移型阻尼器2屈服后启动耗能，与速度型阻尼器1协同工作。两类阻尼器在地震中先后启动，实现分阶段耗能，更符合相应规范中“多道防线”的抗震设防要求。
如图1所示，一种自复位摇摆墙结构，包括摇摆墙3、框架结构4、速度型阻尼器1和位移型阻尼器2。速度型阻尼器1和位移型阻尼器2均安装在摇摆墙3与框架结构4之间，速度型阻尼器1和位移型阻尼器2分别应用上述的性能设计方法确定位移型阻尼器的屈曲约束支撑参数及速度型阻尼器的阻尼参数。两种阻尼器的相结合，充分利用两类阻尼器的性能优势，在不同强度等级的地震作用下，结构体系中的阻尼器始终能发挥耗能作用，实现分阶段耗能，有效降低主体结构地震响应。
在阻尼器的布局设计中，速度型阻尼器1布置在框架结构4的上部楼层，位移型阻尼器2布置在框架结构4的下部楼层。主要是考虑到在地震作用下，将先启动耗能的速度型阻尼器1布置于上部楼层可以降低结构顶点加速度、实现上部楼层的快速减震效果。
在本实施例中，速度型阻尼器1采用的是黏滞阻尼器，其可以增加结构体系阻尼，不影响结构自振周期，在小震作用下就能发挥耗能作用，有效降低结构响应。
位移型阻尼器2采用的是防屈曲支撑，其可以增加结构刚度，控制结构变形，造价低，施工简易，核心段屈服后滞回耗能性能优越。
如图3所示，摇摆墙3包括基座和墙体5。墙体5上沿纵向设有若干预留孔道7，预留孔道7内设有预应力筋6。基座上开设有与预留孔道7相配合的通孔，预应力筋6的两端分别通过锚具8固定在预留孔道7与通孔中，为墙体5提供自复位力。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.一种自复位摇摆墙结构的性能设计方法，其特征在于，在摇摆墙（3）和框架结构（4）之间设有速度型阻尼器（1）和位移型阻尼器（2）；
根据摇摆墙（3）和框架结构（4）的性能设计指标获取目标位移比及目标剪力比；
绘制所述目标位移比的位移减震性能曲线及目标剪力比的剪力减震性能曲线，并获取这两曲线交点的坐标值，以得到附加刚度需求值及附加阻尼比需求值；
根据所述附加刚度需求值及附加阻尼比需求值确定位移型阻尼器的屈曲约束支撑参数及速度型阻尼器的阻尼参数；
所述目标位移比通过下式表示：
；
式中，为屈曲约束支撑附加刚度与无控自复位摇摆结构刚度之比；/>为自复位摇摆墙结构的衰减指数；/>为速度型阻尼器提供的附加阻尼比；/>为无控自复位摇摆墙结构自振周期；/>为自复位摇摆墙结构顶点位移与无控自复位摇摆墙结构顶点位移之比；/>为建筑所在场地特征周期；
所述目标剪力比通过下式表示：
；
式中，为屈曲约束支撑附加刚度与无控自复位摇摆结构刚度之比；/>为速度型阻尼器提供的附加阻尼比；/>为无控自复位摇摆墙结构自振周期；/>为自复位摇摆墙结构地震剪力与无控自复位摇摆墙结构地震剪力之比；/>为建筑所在场地特征周期。
2.一种自复位摇摆墙结构，其特征在于，包括摇摆墙（3）、框架结构（4）、速度型阻尼器（1）和位移型阻尼器（2）；所述速度型阻尼器（1）和位移型阻尼器（2）均安装在摇摆墙（3）与框架结构（4）之间，所述速度型阻尼器（1）和位移型阻尼器（2）分别应用如权利要求1所述的性能设计方法确定位移型阻尼器的屈曲约束支撑参数及速度型阻尼器的阻尼参数。
3.根据权利要求2所述的一种自复位摇摆墙结构，其特征在于，所述速度型阻尼器（1）布置在框架结构（4）的上部楼层，所述位移型阻尼器（2）布置在框架结构（4）的下部楼层。
4.根据权利要求2或3所述的一种自复位摇摆墙结构，其特征在于，所述速度型阻尼器（1）采用的是黏滞阻尼器。
5.根据权利要求2或3所述的一种自复位摇摆墙结构，其特征在于，所述位移型阻尼器（2）采用的是防屈曲支撑。
6.根据权利要求2所述的一种自复位摇摆墙结构，其特征在于，所述摇摆墙（3）包括基座和墙体（5）；所述墙体（5）上沿纵向设有若干预留孔道（7），所述预留孔道（7）内设有预应力筋（6）；所述基座上开设有与预留孔道（7）相配合的通孔，所述预应力筋（6）的两端分别通过锚具（8）固定在预留孔道（7）与通孔中。
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