基于时程分析的消能减震结构设计方法

技术领域

本发明涉及建筑结构的消能减震技术领域，具体地，涉及一种基于时程分析的消能减震结构设计方法。

背景技术

传统意义上的抗震通过增强结构自身的刚度和强度来进行，经研究后，引进了消能减震构件，如金属阻尼器等，消能减震技术因具有概念简单、机理明确、减震效果显著等优点，得到了广泛的应用。消能减震技术的作用效果取决于消能器的类型和性能，不同的消能器布置于框架结构中产生的效果有所不同。

对于高层结构来说，为了追求结构与建筑使用要求的协调，更需要一种安全、经济、可行的措施来实现，因此消能减震的设计成为了首选。对于高层的建筑物，如按照传统的抗震设计，以既定的“设防烈度”作为设计依据，采用“硬抗”的途径，依靠结构构件本身的强度、刚度、延性和耗能能力来抵御地震作用，消耗地震能量，以满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，必然导致主要结构(框架梁、框架柱和剪力墙)截面过大，增加了结构本身的质量和刚度，地震作用相应加大，结构层间剪力及位移将大幅度增加，且很多构件有超筋现象发生，抗震性能不佳，设计既不经济也不合理，这种“以强制强”的设计方法并不能有效地降低结构的地震反应。因此，为解决高层建筑结构难以达到抗震性能要求的问题，结合隔震技术和耗能减震技术的特点，对结构进行消能减震设计是有必要的。

目前在结构减震设计中，通常采用反应谱法，取整体阻尼比对结构进行分析并指导配筋，虽然此方法能够考虑结构各频振动的幅值和频谱两个主要要素，但对于持时这一要素未能得到体现，震害调查表明，一些按反应谱理论设计的结构，在未超过设防烈度的地震中，也遭受到了破坏，这说明持时要素在消能减震设计中应该被考虑；反应谱法忽略了地震作用的随机性，但不能考虑结构在罕遇地震下逐步进入塑性时，因其周期、阻尼、振型等动力特性的改变，而导致结构中的内力重新分布这一现象。

时程分析可以求以时间为变量的反应时间曲线函数，从而找出各个构件塑性铰出现的先后顺序，以此来判别结构及构件的破坏机理。反应谱法仅能分析出地震时结构反应的最大值；时程分析法则较全面地反应了地震的三要素：地震的持续时间、动强度与谱特性。时程分析法可以正确得出结构可能存在的薄弱环节，考虑了结构及构件的弹塑性反应，以便控制在罕遇地震偶然荷载作用下结构的弹塑性反应，防止结构发生倒塌。

基于反应谱法的线性分析中附加有效阻尼比可以反应消能部件对于整个结构的耗能减震影响，但对于构件受力不均匀的影响得不到体现，从而影响结构构件层面的设计。时程分析法比反应谱法和底部剪力法两者计算要复杂得多，但它能反映地震作用总过程，通过该法使结构设计更合理、更安全、更经济。时程分析法可用于线性分析，也可用于非线性分析。只要输入正确合理的地震波，时程分析的结果就既能反应结构最大可能遭受的地震作用，又能满足工程抗震设计安全和功能的要求。

因此，本发明提供一种基于时程分析的消能减震结构设计方法，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，且使消能减震结构更合理、更安全、更经济。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于时程分析的消能减震结构设计方法。

本发明提供的基于时程分析的消能减震结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1、根据规范设计反应谱曲线构建时程分析的人工地震波；

步骤2、建立反应谱分析原模型，获得构件在各个载荷工况下的弯矩、剪力和轴力；

步骤3、确定消能器的类型、布置位置、形式及数量，将消能器布置在主体结构中，建立减震模型；

步骤4、对所述原模型、所述减震模型进行非线性时程分析，得到构件在地震工况下受力的变化率和附加有效阻尼比；

步骤5、修改计算用阻尼比，采用反应谱分析，校核结构整体指标；

步骤6、根据步骤4得到的构件地震内力变化率，修正减震模型中结构构件的地震内力，采用修正后的构件地震内力与其他载荷工况下构件内力进行载荷组合，进行结构构件承载力设计；不满足规范要求时，重复步骤3-6。

本发明通过分析对比反应谱法和时程分析法对结构构件影响的差异，以此作为分析设计人员对减震结构设计的依据，从构件内力变化的角度出发，对消能减震结构中的构件配筋进行合理优化设计，适用于多层、高层及超高层建筑形式。

本发明中的消能器是消能减震结构的下位概念。

进一步地，所述步骤4中，消能器按照非线性单元模拟。

进一步地，所述步骤4中还包括将所述原模型在反应谱分析中地震单工况下的构件力乘以时程分析中获得的构件受力变化率，再与其他载荷工况进行结合，以此进行构件承载力设计。

进一步地，所述步骤5中，总阻尼比取固有阻尼比和消能器附加阻尼比之和。

进一步地，所述地震波与规范设计反应谱相比，满足周期点上相差不大于20％。

本发明中，也可以仅要求地震波反应谱与规范设计反应谱在主要周期点上相差不大于20％。

进一步地，反应谱法计算中，总刚度取结构刚度和消能器有效刚度的结合。

进一步地，消能器的附加有效阻尼比ξ

ξ

式中，W

进一步地，消能器的耗散能量通过在有限元模拟计算平台上建立消能器的滞回模型分析得到。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的基于时程分析的消能减震结构设计方法，能够实现消能减震结构设计中构件配筋的合理性，以作为设计人员对消能减震结构设计的依据。

2、本发明提供的基于时程分析的消能减震结构设计方法，提取每根构件的受力变化率，从而指导构件配筋，经济性好，结构安全。

3、本发明提供的基于时程分析的消能减震结构设计方法，可以正确得出结构可能存在的薄弱环节，针对结构及构件的弹塑性反应，控制在罕遇地震偶然载荷作用下结构的弹塑性反应，防止结构发生倒塌，提高了结构设计的安全性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的基于时程分析的消能减震结构设计方法的算例原模型图；

图2为本发明实施例的基于时程分析的消能减震结构设计方法的减震模型图，其中在中跨1-4层布置阻尼器；

图3为本发明实施例的基于时程分析的消能减震结构设计方法的减震模型图，其中在中跨1-2层布置阻尼器；

图4为本发明实施例的基于时程分析的消能减震结构设计方法的地震波加速度与规范反应谱对比图。

图中，

编号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16表示框架柱；

编号17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28表示框架梁；

编号29、30、31、32、33、34、35、36表示连接支撑；

编号K1、K2、K3、K4表示消能器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2、图3所示，本算例为一榀4层3跨的混凝土框架，其中梁截面为300mm×600mm，柱截面为600mm×600mm，跨度均为8400mm，层高均为3900mm。载荷采用均布线载荷，恒载荷26.4kN/m，活载荷13.2kN/m，地震烈度为8度(0.2g)，Ⅱ类场地，设计分组为第二组，特征周期Tg＝0.40g，固有阻尼比5％。消能减震装置选用黏滞阻尼器，只为主体结构提供附加阻尼，因此可不计入等效刚度的影响。

本实施例的计算过程如下。

1、对算例模型进行原模型、减震模型的非线性时程分析，其中减震模型考虑黏滞阻尼器中跨1-4层满布和仅在中跨1-2层布置两种情况，如图2、图3所示。

2、非线性时程分析输入地震采用在PKPM地震波波库中选取的人工波RH1TG040，其加速度与规范设计反应谱对比如图4所示，所选地震波均满足在主要周期点上与规范设计反应谱相差不大于20％。

比较原结构和减震结构的基底剪力以及柱弯矩、剪力、轴力变化，结果如表1至表4所示。

表1

表2

表3

表4

从表1中可以看出，在非线性时程分析中，与原模型相比，减震模型基底剪力的减小率为0.33-0.35。

从表3、表4中可以看出，与原模型相比，减震模型中构件的受力不再出现一致的变化规律：梁柱的弯矩、剪力均有所减小，当阻尼器由上至下布置时，弯矩和剪力减小率(0.34-0.40)均大于基底剪力减小率(0.33)，当阻尼器仅部分楼层布置时，弯矩和剪力减小率(0.34-0.35)与基底剪力减小率(0.35)基本相同；柱的轴力减小率变化较大，布置阻尼器的跨，两侧柱轴力减小率较大，不与阻尼器连接的一侧柱轴力减小率与基底剪力减小率基本相同。结果表明，非线性时程分析中减震模型的构件受力变化不均，其变化规律随着阻尼器的不同位置也出现差异。

3、对算例模型进行原模型、减震模型的等效线性反应谱分析，考虑消能部件附加等效阻尼比为5％，减震模型在原模型基础上修改其总阻尼比为10％即可。基底剪力以及柱弯矩、剪力、轴力变化如表5至表7所示。

表5

表6

表7

从表5可知，等效线性反应谱分析中，与原模型相比，减震模型的基底减小率为0.17。

结合表1、表5，与非线性时程分析相比，等效线性反应谱分析更为保守地衡量了阻尼器对整个结构的耗能影响。

从表6、表7可以看出，构件弯矩、剪力和轴力的减小率均为0.17-0.18，与结构基底剪力的减小率基本相同，结果表明，在等效线性反应谱分析中，减震模型的梁、柱受力均有所减小且减小率呈一致性。结合表3、表4可知，采用等效线性反应谱分析来计算构件的受力和配筋，不能合理地反映阻尼器布置对于构件的影响及其差异性。

根据以上分析结果，本实施例的一种基于时程分析的消能减震结构设计方法，包括：根据规范设计反应谱构建时程分析的人工地震波；采用时程分析获得原模型和减震模型在地震工况下各构件的弯矩、剪力和轴力变化率；根据构件内力变化率修正按反应谱分析得到的构件地震内力，采用修正后的构件地震内力与其他荷载进行荷载组合，校核结构构件的承载能力，如满足规范要求时，完成消能减震结构设计。其中，其他载荷包括竖向荷载、其他水平荷载等。经过这种设计方法指导构件配筋后，工程上可满足安全和经济的双重要求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。