运用颗粒阻尼技术提升结构抗倒塌能力的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种运用颗粒阻尼技术提升结构抗倒塌能力的优化设计方法，属于土木工程结构防倒塌设计领域。

背景技术

结构连续性倒塌是指由于突发事件或严重超载导致结构发生局部破坏，这种破坏从结构初始位置沿构件传递，最终导致整个结构倒塌或导致相对于初始局部破坏不成比例的更大范围的破坏。自从1968年英国Ronan Point ApartmentTower发生倒塌，工程师逐渐开始重视由于建筑局部失效构件引起的连续倒塌现象。从上世纪90年代以来，基于性能的建筑抗震设计成为结构抗震研究的主要方向之一，而在现代建筑结构设计中抗倒塌能力是基于性能设计的核心目标。结构一旦发生倒塌，将造成严重的生命及财产损失，因此结构抗倒塌能力是结构设计中至关重要的一环。

拆除构件设计法是一种传统的抗倒塌实用设计方法，即将结构中的部分构件拆除，模拟结构的初始破坏，通过有限元法分析结构中部分构件拆除后剩余结构的强度，判断结构是否会发生连续倒塌。如果结构发生连续倒塌，则通过增强拆除后的剩余构件来避免连续倒塌，这种方法的实质是增强结构的冗余度，提供有效的备用传力路径；如果一个构件无法找到替代路径，则该构件应被视为“关键构件”，使其具有足够的强度，能一定程度上抵御意外荷载作用。虽然拆除构件设计法概念简单，实施方便，但单纯通过增加构件截面尺寸、提高材料强度的方法来提升结构的承载力在很多情况下无法满足结构的抗倒塌要求，并且增加了结构自重、减小了净空面积，经济性差。

颗粒阻尼技术是由传统的冲击阻尼器发展演变而来的一种被动控制技术，其在机械和航空航天领域已经得到较为深入的研究和应用。颗粒阻尼技术，是一种将一定数量的金属和非金属颗粒放置于振动体中的有限体积空腔内，通过颗粒之间或颗粒与腔壁之间的碰撞及摩擦消耗振动体能量的被动控制技术，具有对原系统改动小、可靠度高、耐久性好、对温度变化不敏感、易于用在恶劣环境等优点，受到了广大土木工程研究人员的重视。已有研究成果表明颗粒阻尼器具有减振频带宽、减振效果好、减振效果稳定的优点，在土木工程领域具有广阔的应用前景。

因此，本发明提出一种采用颗粒阻尼技术提升结构抗倒塌能力的优化设计方法，在传统基于“拆除构件法”设计的基础上，将颗粒阻尼技术引入到提升结构的抗倒塌能力设计中，大大减小结构在偶发荷载及灾难荷载作用下的响应，对于避免结构坍塌、减轻灾难荷载下的人员伤亡具有重要意义。同时，颗粒阻尼器的对原系统改动小、耐久性好、易于取材等优点，大大降低了设计的成本，实现经济效益最大化。

发明内容

本发明的目的是提出一种运用颗粒阻尼技术提升结构抗倒塌能力的优化设计方法。该设计方法将颗粒阻尼技术引入到结构的抗倒塌设计中，结合传统的抗倒塌设计理念，综合考虑结构抗倒塌能力的提升与成本问题，进行结构抗倒塌的优化设计。

本发明提出的一种运用颗粒阻尼技术提升结构抗倒塌能力的优化设计方法，具体步骤如下：

(1)：根据现行规范及既定条件，运用有限元软件对框架结构的梁、柱及板进行常规的截面尺寸及配筋设计，得到初始模型的框架结构；

(2)：根据结构体系及结构布置确定一个或多个对步骤(1)得到的框架结构受力起重要作用的部位；

根据现代结构设计中存在较多的不规则结构，且灾害调查显示框架结构遭遇地震或者恐怖袭击等意外因素时，首先出现破坏的多为竖向受力构件，采用传统的拆除构件法沿建筑的外围护对框架结构的长边中柱、短边中柱及角柱逐一拆除；传统“拆除构件法”的抗倒塌设计通过增加剩余构件的截面尺寸、材料强度来提升结构的抗力从而避免倒塌，考虑设置“二道防线”，增强结构的冗余度，提供有效的备用传力路径；如果一个构件无法找到替代路径，则应设计使其具有足够的强度，能在一定程度上抵御意外荷载作用。

(3)：依据传统的拆除构件法，选择具体一个部位做失效处理，运用有限元软件对剩余结构进行分析，验算其是否满足正常使用荷载、偶发荷载或灾难荷载下的抗倒塌要求；

(4)：若步骤(3)中剩余结构发生了倒塌，则该构件视为结构抗倒塌的关键部位，并分析在此部位失效状态下框架结构的受力状态，探索倒塌机理；

(5)：对步骤(2)中确定的框架结构其余部位重复步骤(3)-(4)，得到其余每个部位处于失效状态后的结构响应，并对其进行倒塌评估；

(6)：结合颗粒阻尼技术与传统抗倒塌设计，综合考虑结构抗倒塌能力的提升与成本问题，进行结构抗倒塌的优化设计，对加强后的框架结构再次进行验算；

结合颗粒阻尼技术是在框架结构上附加质量式被动阻尼器，即将装有金属或其他材料等颗粒的容器附着在框架结构振动较大的部位，以多自由度结构为例，在顶层附加颗粒阻尼器的结构的控制方程为：

$M\stackrel{··}{X}+C\stackrel{·}{X}+KX=F+E{\stackrel{··}{x}}_g---\left(1\right)$

M，C，K分别为质量、阻尼和刚度矩阵；X分别为加速度、速度和位移矩阵；E为惯性质量矩阵；为地面加速度；F为颗粒对结构的接触力向量，这也是颗粒与主体结构之间的联系纽带。

颗粒阻尼技术利用颗粒之间以及颗粒与容器壁之间的非弹性碰撞和摩擦来消耗系统振动能量，颗粒阻尼器可以消耗外界输入的能量，有效抑制结构的振动，将颗粒阻尼器布置在结构响应较大并直接影响结构倒塌的关键部位，可以有效抑制其在动力荷载下的响应，从而提升结构的抗倒塌能力。

本发明中，所述优化设计方法选用有限元软件对框架结构进行倒塌全过程分析，考虑结构的大变形、大位移，直观清晰地判断结构是否发生倒塌。

本发明中，所述偶发荷载为炸药、燃气、粉尘、压力容器引起的爆炸荷载或运动物体引起的撞击荷载。

本发明中，所述灾难荷载为地震、台风、爆炸或火灾等。

本发明中，所述优化设计方法中颗粒阻尼器的布置位置灵活，既可以附加于结构构件的外部，也可以内嵌于结构构件中，且可放置于任意夹层、结构构件内部空洞中，不影响结构使用。

本发明中，所述优化设计方法中颗粒材料可取普通建筑材料，如钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的任一种或多种。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)颗粒阻尼器通过颗粒—结构、颗粒—颗粒之间的非弹性碰撞与摩擦来实现动量交换及结构能量耗散，具有良好的减振性能，在很大程度上抑制结构的响应，提升抗倒塌能力。

2)颗粒阻尼器布置位置灵活，既可以附加于结构构件的外部，也可以内嵌于结构构件中，且可放置于任意夹层、结构构件内部空洞中，不影响结构使用，克服了传统意义上通过增加截面尺寸来提升结构抗力所带来的结构自重增加、净空面积减小等特点。

3)颗粒阻尼器所用颗粒取材廉价方便，颗粒材料可取普通建筑材料，如钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的任一种或多种，很大程度上降低了结构设计的成本，经济性突出。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

图2是用来证明本发明方法算例的五层钢框架模型。

图3是地震波激励下的钢框架模型顶层加速度和位移响应时程曲线。其中：(a)为El Centro波，加速度，(b)为El Centro波，位移，(c)为上海人工波2，加速度，(d)为上海人工波2，位移。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：以某五层钢框架结构为例，说明本发明的具体实施方式。本发明运用颗粒阻尼技术提升结构抗倒塌能力的优化设计方法步骤如下：

步骤(1)：根据现行规范及既定条件，运用有限元软件对框架结构的梁、柱及板进行常规的截面尺寸及配筋设计，得到初始模型，如图2所示。

本算例中主体结构为五层钢框架，单层高度为1.06m，总高度为5.30m；平面尺寸为2m×2m，其阻尼比为0.02，质量矩阵M和刚度矩阵K分别如下：

$M=\left(\begin{array}{ccccc}1200& & & & \\ & 1200& & & \\ & & 1200& & \\ & & & 1200& \\ & & & & 1200\end{array}\right)kg$

$K=\left(\begin{array}{ccccc}1063050& -558390& & & \\ -558390& 1137820& -579530& & \\ & -579430& 1158850& -579420& \\ & & -579420& 1185850& -606430\\ & & & -606430& 606430\end{array}\right)N/m$

经计算其前三阶自振频率分别为1Hz，3Hz和5Hz。

步骤(2)：根据结构体系及结构布置确定一个或多个对结构受力起重要作用的部位。

考虑到现代结构设计中存在较多的不规则结构，且灾害调查显示框架结构遭遇地震或者恐怖袭击等意外因素时首先出现破坏的多为竖向受力构件，因此采用传统的拆除构件法沿建筑的外围护对结构的长边中柱、短边中柱及角柱逐一拆除。

步骤(3)：依据传统的拆除构件法，选择具体一个部位做失效处理，运用有限元软件对剩余结构进行倒塌全过程分析，考虑结构的大变形、大位移，验算其是否满足正常使用荷载、偶发荷载和灾难荷载下的抗倒塌要求，直观清晰地判断结构是否发生倒塌；所述偶发荷载为炸药、燃气、粉尘、压力容器引起的爆炸荷载或运动物体引起的撞击荷载；所述灾难荷载为地震、台风、爆炸或火灾等。

步骤(4)：若步骤(3)中结构发生了倒塌，则该构件视为结构抗倒塌的关键部位，并分析在此部位失效状态下结构的受力状态，探索倒塌机理。

步骤(5)：对步骤(2)中确定的其余部位重复步骤(3)—(4)，得到每个部位处于失效状态后的结构响应，并对其进行倒塌评估。

步骤(6)：结合颗粒阻尼技术与传统抗倒塌设计理念，综合考虑结构抗倒塌能力的提升与成本问题，进行结构抗倒塌的优化设计，对加强后的结构再次进行验算。

传统“拆除构件法”的抗倒塌设计理念通过增加剩余构件的截面尺寸、材料强度来提升结构的抗力从而避免倒塌，考虑设置“二道防线”，增强结构的冗余度，提供有效的备用传力路径；如果一个构件无法找到替代路径，则应设计使其具有足够的强度，能在一定程度上抵御意外荷载作用。

将颗粒阻尼器布置在结构响应较大并直接影响结构倒塌的关键部位，可以有效抑制其在动力荷载下的响应，从而提升结构的抗倒塌能力；颗粒阻尼器既可以附加于结构构件的外部，也可以内嵌于结构构件中，且可放置于任意夹层、结构构件内部空洞中；颗粒材料可取普通建筑材料，如钢球、混凝土球、玻璃球或陶瓷球中的任一种或多种。

下面重点说明运用颗粒阻尼技术提升结构抗倒塌能力的设计方法。在主体结构顶部悬挂颗粒阻尼器。阻尼器包括上下两层，每一层被分为6个内径为288mm×283mm×120mm的容器。阻尼器颗粒选用直径为51mm的钢球，总计180个，并被均匀放入容器内。腔体质量为39.345kg，整个颗粒阻尼器的质量与模型总质量的质量比为2.26％。

下面举例说明在地震激励(El Centro波、汶川波、日本311波和上海人工2波)下，运用颗粒阻尼技术对主体结构的减震控制效果。图3为无控和有控结构(附加颗粒阻尼器)顶层在El Centro波和上海人工2波下加速度时程和位移时程曲线对比。可以看到，附加颗粒阻尼器后，不但使响应峰值明显降低，而且使得响应时程曲线在整个时间段上快速衰减。表1和表2分别列出了无控和有控结构顶层在地震波激励下的位移和加速度的峰值和均方根响应(r.m.s)以及相应的颗粒阻尼器对框架结构的减震效果。可以看到，有控结构的动力响应普遍小于无控结构，说明阻尼器有较稳定的减震效果；在不同地震激励下，峰值位移与均方根位移的减震效果最高分别达到39.01％与72.17％，峰值加速度与均方根加速度的减震效果最高达到33.56％和70.99％，这说明颗粒阻尼器能够帮助主体结构吸收并耗散掉很大一部分的地震输入能量。此外，无控结构在El Centro波(0.2g)、汶川波(0.2g)和上海人工2波(0.1g)结构已发生倒塌，而将颗粒阻尼器附加在结构顶部后，结构不会发生倒塌。

综合图2、图3以及表1、表2可以看到，将颗粒阻尼技术引用到框架结构中可以很大程度上减小结构的响应，从而提升结构的抗倒塌能力。

综合考虑传统的增强抗力的抗倒塌设计理念与经济实用的颗粒阻尼技术，在满足抗倒塌要求的前提下降低成本，实现经济效益最大化。

表1.结构顶层位移响应(mm)

表2.结构顶层加速度响应(g)