基于目标附加有效阻尼比的消能减震结构消能器包络优化方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域中的消能减震结构设计与分析技术，特别是涉 及一种基于目标附加有效阻尼比的消能减震结构消能器包络优化方法。

背景技术

传统建筑结构的抗震主要通过结构及构件在地震中出现损坏来消耗地震能 量，而结构及构件的严重损坏就是地震能量的转换或者消耗过程。近年来，随着 我国地震频发，导致建筑结构遭受严重破坏，危害着人民生命及财产安全。由于 目前对结构“硬抗”地震的机制难以到达有效的控制要求，因此“软抗”地震的 方式—消能减震技术在建筑结构中逐渐广泛应用，它对复杂的建筑结构和生命线 工程有着重大意义。

消能减震技术是一种在建筑结构中设置消能器来耗散地震能量的被动控制技 术。消能减震结构包括主体结构和消能部件，消能部件由消能器和用于主体结构 连接消能器的构件组成。消能器通过内部材料或与构件之间的摩擦，利用弹塑性 滞回变形或黏(弹)性滞回变形来耗散或吸收地震能量。简而言之，消能减震技 术就是在建筑主体结构的某些部位设置消能器，通过其变形来耗散或吸收地震输 入结构的能量，以减小对主体结构的影响，从而保护主体结构。常用的消能器有 位移相关型消能器、速度相关型消能器和复合型消能器等。

消能减震结构的性能化设计是针对整体结构、局部结构、消能部件、关键部 位、重要构件、次要构件等设定相应的性能目标，根据设定的性能目标对消能减 震结构进行分析设计，而在消能减震结构设计中关键是要合理的选用和布置消能 器，最大限度的发挥消能器的耗能特性，衡量消能器耗能能力的性能指标就是其 附加有效阻尼比。消能器的目标附加有效阻尼比即是消能器的耗能性能目标，消 能器的类型、选用数量、布置形式及布置位置都会影响消能器整体耗能特性，进 而影响其性能目标的实现。

在消能减震结构的性能化设计中，消能器的选用和布置基本能满足目标附加 有效阻尼比的要求，但往往存在消能部件类型选用不合理、数量使用过多、布置 形式及位置不合理的缺陷，以增加消能器的数量来换取其工作质量，造成消能器 在消能减震结构中处于低效率的工作状态，这就需要对消能器进行优化设计，即 选择合理的消能器类型、确定其数量、布置形式及位置，从而实现消能器抗震性 能目标的技术和经济合理性。

目前，现有的消能减震结构的性能化优化设计采用的是基于位移性能目标的 消能器优化设计方法，它基本以建筑主体结构的各楼层的层间位移或层间位移角 作为性能目标，从而对消能器进行优化控制，设定多种消能器布置方案，使主体 结构满足并逐步逼近小震、中震及大震设定的各级位移性能目标，从中确定一种 消能器的布置方案。

然而，这种消能减震结构的性能化优化设计存在以下缺陷：

⑴它从建筑主体结构的位移宏观参数指标出发，其实质目的是控制消能减震 结构的变形，消能器的优化仅仅只是调整消能器的布置位置，很少涉及甚至没有 对消能器的数量和布置形式方面进行优化，造成消能器在消能减震结构中处于低 效率的工作状态，虽然能基本达到消能减震结构设计中消能器设计的技术性指标， 但是无法满足经济性指标。

⑵它的实质目的是控制消能减震结构的变形，因此，这种优化方法只限于具 有层概念的多层及高层建筑，而并不适用于无绝对层概念的大型公共建筑，如大 型体育场馆、机场、车站等，所以不能适用于所有的建筑形式。

⑶它没有从消能器本身的耗能特性出发，忽略了消能减震结构在地震作用时 其结构反应的变化是由于消能器耗散地震能量而提供附加有效阻尼比的原因，而 仅是基于结构位移参数进行消能器的优化，如此，使得消能减震结构抗震性能目 标技术和经济指标实现的不够充分，也未能体现消能器优化的本质特征，造成消 能器的优化效率低，且优化效果不明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消能器选用和布置合理、降低造价成本、适用于 具有建筑结构层概念特点的多层、高层及超高层建筑形式、能够实现消能减震结 构设计中消能器设计的技术性和经济性指标、提高消能器优化效率的基于目标附 加有效阻尼比的消能减震结构消能器包络优化方法，以此作为分析设计人员对消 能器设计的依据。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于目标附加有效阻尼比的 消能减震结构消能器包络优化方法，具体包括以下步骤：

⑴选定用于主体结构弹塑性时程分析的地震波；

⑵设定主体结构罕遇地震作用时的消能减震结构性能目标和要求，对主体结 构不设置消能器，在第i条地震波的作用下，其中，i＝1，2，3，…，n，n为地震 波的数量，对主体结构反复迭加附加有效阻尼比进行罕遇地震的弹塑性时程分析， 直至迭加了附加有效阻尼比后的主体结构在该条地震波作用时能够满足消能减震 结构性能目标和要求，该迭加的附加有效阻尼比即为对应于第i条地震波的目标附 加有效阻尼比ξ_aim(i)；

⑶对每条地震波作用时的目标附加有效阻尼比ξ_aim(i)求均值，得到主体结构的 目标实际附加有效阻尼比ξ_aim：

${\xi }_{aim}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_{aim\left(i\right)}/n$公式①

式中：n为地震波的数量；

⑷初步确定消能器的类型、布置位置、形式及数量，并将消能器布置在主体 结构中形成消能减震结构；

⑸在每条地震波的作用下，对消能减震结构进行罕遇地震的弹塑性时程分析：

①若消能减震结构在第i条地震波作用时能够满足消能减震结构性能目标和 要求，转入步骤⑹；

②若消能减震结构在第i条地震波作用时不能满足消能减震结构性能目标和 要求，调整消能器类型、布置位置、形式和数量，直至消能减震结构在该条地震 波作用时能够满足消能减震结构性能目标和要求，转入步骤⑹；

⑹计算第i条地震波作用时的消能器的附加有效阻尼比ξ_E(i)：

ξ_E(i)＝∑max(W_cj(i))/[4π·max(W_s(i))]公式②

式中：ξ_E(i)为第i条地震波作用时消能器的附加有效阻尼比；W_cj(i)为第j个消 能部件在第i条地震波作用时结构预期层间位移Δu_j(i)下往复循环一周所消耗的能 量，取最大滞回环面积；W_s(i)为消能减震结构在第i条地震波作用时预期位移下的 总应变能；max(W_s(i))为消能减震结构在第i条地震波作用时预期位移下的最大总 应变能；

⑺对每条地震波作用时的消能器的附加有效阻尼比ξ_E(i)求均值，得到消能器的 实际附加有效阻尼比ξ_a：

${\xi }_a=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_{E\left(i\right)}/n$公式③

式中：n为地震波的数量；

⑻比较消能器的实际附加有效阻尼比ξ_a和主体结构的目标实际附加有效阻尼 比ξ_aim：

①若根据天然波计算所得的ξ_a＜0.55ξ_aim；若根据人工波计算所得的 ξ_a＜0.8ξ_aim，转入步骤⑼；

②若根据天然波计算所得的ξ_a＞1.1×0.55ξ_aim；若根据人工波计算所得的 ξ_a＞1.1×0.8ξ_aim，转入步骤⑽；

③若根据天然波计算得到：0.55ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.55ξ_aim；根据人工波 计算得到：0.8ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.8ξ_aim，转入步骤⑾；

⑼重新布置消能器并增加消能器的数量，重复步骤⑸～⑻，直至根据天然波 计算得到：0.55ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.55ξ_aim，根据人工波计算得到：0.8ξ_aim≤ξ_a≤1.1 ×0.8ξ_aim，转入步骤⑾；

⑽调整消能器的位置并减少消能器的数量，重复步骤⑸～⑻，直至根据天然波 计算得到：0.55ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.55ξ_aim，根据人工波计算得到：0.8ξ_aim≤ξ_a≤1.1 ×0.8ξ_aim，转入步骤⑾；

⑾完成消能减震结构性能设计中消能器的优化。

本发明能够实现消能减震结构设计中消能器选用和布置的合理性，以作为分 析设计人员对消能器设计的依据，而且本发明从耗散地震能量的角度出发对消能 减震结构设计中的消能器进行合理优化设计，适用于具有建筑结构层概念特点的 多层、高层及超高层建筑形式；另外，本发明对消能器的优化不仅仅只是调整消 能器的布置位置，而且对消能器的数量和布置形式也进行了优化，可使消能器在 消能减震结构中处于高效率的工作状态，能够实现消能减震结构设计中消能器设 计的技术性和经济性指标，因此，能够实现消能器的安全、高效、经济的合理布 置。

本发明所述的消能减震结构性能目标和要求在《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010(以下简称《抗规》)及《建筑消能减震技术规程》JGJ297-2013(以 下简称《规程》)中均有说明，各消能减震结构减震性能目标均不一样，针对不同 建筑结构有着不同的要求，具体规定根据设计人员在设计过程中参考《抗规》和 《规程》具体而定，并经过专家会审通过。

本发明在所述步骤⑷中，消能器的形式是指支撑的形式，比如人字型布置、 单斜撑布置、V型布置等等。初步确定消能器的类型、布置位置、形式及数量是 根据《抗规》及《规程》的布置原则进行布置，比如在最大位移处，考虑刚度均 匀，进行初步布置；而根据主体结构的各楼层的层间位移和层间刚度来初步确定 消能器的数量和布置位置也是一个方面。

本发明所述的地震波由安评单位提供，它记载在安评报告中，在安评报告中 地震波的各时刻点、峰值、频谱特性、地震动持时等均有记载。

作为本发明的一种实施方式，在所述步骤⑹中，不计扭转影响，消能减震结 构在第i条地震波作用时预期位移下的最大总应变能max(W_s(i))根据以下公式计 算：

max(W_s(i))＝(1/2)∑max(F_k(i))·max(u_k(i))公式④

式中：max(F_k(i))为质点k在第i条地震波的水平地震作用时标准值的最大 值，max(u_k(i))为质点k在第i条地震波的水平地震作用时标准值的位移最大值。

作为本发明的一种优选实施方式，根据《抗规》和《规程》选取地震波，所 述地震波至少为七条，其中天然波的数量大于或等于地震波总数的2/3。

本发明所述消能器采用位移相关型消能器、速度相关型消能器或者复合型消 能器。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明能够实现消能减震结构设计中消能器选用和布置的合理性，以作为 分析设计人员对消能器设计的依据。

⑵本发明从耗散地震能量的角度出发对消能减震结构设计中的消能器进行合 理优化设计，适用于具有建筑结构层概念特点的多层、高层及超高层建筑形式。

⑶本发明对消能器的优化不仅仅只是调整消能器的布置位置，而且对消能器 的数量和布置形式也进行了优化，可使消能器在消能减震结构中处于高效率的工 作状态，能够实现消能减震结构设计中消能器设计的技术性和经济性指标，因此， 能够实现消能器的安全、高效、经济的合理布置。

具体实施方式

本发明一种基于目标附加有效阻尼比的消能减震结构消能器包络优化方法， 具体包括以下步骤：

⑴根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010和《建筑消能减震技术规程》 JGJ297-2013选定用于主体结构弹塑性时程分析的地震波，地震波包括天然波和人 工波，其中的天然波数量大于或等于地震波总数的2/3，地震波由安评单位提供， 它记载在安评报告中，在安评报告中地震波的各时刻点、峰值、频谱特性、地震 动持时等均有记载；

⑵设定主体结构罕遇地震作用时的消能减震结构性能目标和要求，对主体结 构不设置消能器，在第i条地震波的作用下，其中，i＝1，2，3，…，n，n为地震 波的数量，在本实施例中，n＝7，对主体结构反复迭加附加有效阻尼比进行罕遇地 震的弹塑性时程分析，弹塑性时程分析为现有技术，附加有效阻尼比在《抗规》 和《规范》中进行了规定，直至迭加了附加有效阻尼比后的主体结构在该条地震 波作用时能够满足消能减震结构性能目标和要求，该迭加的附加有效阻尼比即为 对应于第i条地震波的目标附加有效阻尼比ξ_aim(i)。该过程是：比如对主体结构迭 加一个附加有效阻尼比5％，进行罕遇地震的弹塑性时程分析，比如消能减震结构 性能目标和要求其中之一是“柱不屈服”，而通过弹塑性时程分析得到的结果是“柱 有弹性”，此时说明在满足消能减震结构性能目标和要求的前提下，达到的效果更 好，然而这样会提高成本，而且没必要达到如此效果，所以在附加有效阻尼比5％ 的基础上减小，再对主体结构迭加另一个附加有效阻尼比4.5％，进行罕遇地震的 弹塑性时程分析，若满足了消能减震结构性能目标和要求，那么，4.5％即为对应 于该条地震波的目标附加有效阻尼比ξ_aim(i)，即是第i条地震波作用下消能减震结 构目标设定的附加有效阻尼比；在每条地震波的作用下，均按照上述过程确定对 应于该条地震波的目标附加有效阻尼比ξ_aim(i)；

⑶对每条地震波作用时的目标附加有效阻尼比ξ_aim(i)求均值，得到主体结构的 目标实际附加有效阻尼比ξ_aim：

${\xi }_{aim}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_{aim\left(i\right)}/n$公式①

式中：n为地震波的数量，n＝7；

⑷根据《抗规》及《规程》中的布置原则进行布置，比如在最大位移处，考 虑刚度均匀进行初步布置，初步确定消能器的类型、布置位置、形式及数量，消 能器的类型可采用位移相关型消能器、速度相关型消能器或者复合型消能器，根 据具体实际情况而定；而消能器的布置位置是指消能器在主体结构中的位置，消 能器的形式是指支撑的形式，比如人字型布置、单斜撑布置、V型布置等等，以 上初步确定消能器的类型、布置位置、形式及数量是现有技术，将消能器布置在 主体结构中形成消能减震结构；

⑸在每条地震波的作用下，对消能减震结构进行罕遇地震的弹塑性时程分析：

①若消能减震结构在第i条地震波作用时能够满足消能减震结构性能目标和 要求，转入步骤⑹；

②若消能减震结构在第i条地震波作用时不能满足消能减震结构性能目标和 要求，调整消能器类型、布置位置、形式和数量，直至消能减震结构在该条地震 波作用时能够满足消能减震结构性能目标和要求，转入步骤⑹；

⑹计算第i条地震波作用时的消能器的附加有效阻尼比ξ_E(i)：

ξ_E(i)＝∑max(W_cj(i))/[4π·max(W_s(i))]公式②

式中：ξ_E(i)为第i条地震波作用时消能器的附加有效阻尼比；W_cj(i)为第j个 消能部件在第i条地震波作用时结构预期层间位移Δu_j(i)下往复循环一周所消耗的 能量，取最大滞回环面积；W_s(i)为消能减震结构在第i条地震波作用时预期位移下 的总应变能；max(W_s(i))为消能减震结构在第i条地震波作用时预期位移下的最大 总应变能；

不计扭转影响，消能减震结构在第i条地震波作用时预期位移下的最大总应 变能max(W_s(i))根据以下公式计算：

max(W_s(i))＝(1/2)∑max(F_k(i))·max(u_k(i))公式④

式中：max(F_k(i))为质点k在第i条地震波的水平地震作用时标准值的最大 值，max(u_k(i))为质点k对应于第i条地震波的水平地震作用时标准值的位移最大 值。

⑺对每条地震波作用时的消能器的附加有效阻尼比ξ_E(i)求均值，得到消能器 的实际附加有效阻尼比ξ_a：

${\xi }_a=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_{E\left(i\right)}/n$公式③

式中：n为地震波的数量；

⑻比较消能器的实际附加有效阻尼比ξ_a和主体结构的目标实际附加有效阻尼 比ξ_aim：

①若根据天然波计算所得的ξ_a<0.55ξ_aim；若根据人工波计算所得的 ξ_a<0.8ξ_aim，转入步骤⑼；即：若根据天然波计算所得的ξ_a<0.55ξ_aim，转入步骤 ⑼；而根据人工波计算所得的ξ_a<0.8ξ_aim，转入步骤⑼；

②若根据天然波计算所得的ξ_a＞1.1×0.55ξ_aim；若根据人工波计算所得的 ξ_a＞1.1×0.8ξ_aim，转入步骤⑽；即：若根据天然波计算所得的ξ_a＞1.1×0.55ξ_aim， 转入步骤⑽；而根据人工波计算所得的ξ_a＞1.1×0.8ξ_aim，转入步骤⑽；

③若根据天然波计算得到：0.55ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.55ξ_aim；若根据人工波 计算得到：0.8ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.8ξ_aim，转入步骤⑾；

⑼重新布置消能器并增加消能器的数量，重新布置消能器是指对消能器在主 体结构中的位置及布置形式均做重新布置，重复步骤⑸～⑻，直至根据天然波 计算得到：0.55ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.55ξ_aim；根据人工波计算得到：0.8ξ_aim≤ξ_a≤1.1 ×0.8ξ_aim，转入步骤⑾；

⑽调整消能器的位置并减少消能器的数量，调整消能器的位置是指对消能器 在主体结构中的位置进行调整，重复步骤⑸～⑻，直至根据天然波计算得到： 0.55ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.55；根据人工波计算得到：0.8ξ_aim≤ξ_a≤1.1×0.8ξ_aim，转 入步骤⑾；

⑾完成消能减震结构性能设计中消能器的优化。

经过以上计算，消能器的布置满足主体结构罕遇地震作用时的消能减震结构 性能目标和要求，此时，消能器在主体结构中的布置方案即为安全、合理及经济 方案。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技 术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做 出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。