被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述祥解.ppt

1、被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述粘彈性阻尼器小組匯報(bào)內(nèi)容：被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)的基本概述減震原理耗能減震裝置盲分析簡(jiǎn)介ETABS模型的建立和分析Excel設(shè)計(jì)分析有關(guān)的學(xué)術(shù)期刊和論文第一節(jié) 基本概述根據(jù)減震構(gòu)件的種類分類粘滯阻尼器2摩擦阻尼器4油阻尼器 31粘彈性阻尼器33減震構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式直接型：直接將變形傳給減震構(gòu)件。間接型：將層間變形通過(guò)梁或短柱傳給減震構(gòu)件。其他形式：利用總體變形或設(shè)置放大裝置將層間變形放大的裝置。第二節(jié) 減震原理從能量角度分析單質(zhì)點(diǎn)體系減震結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和性能各阻尼器的特性從能量角度分析耗能減震結(jié)構(gòu)原理傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) Ein=Ev+Ec+Ek+Eh耗能減震結(jié)構(gòu) Ein=Ev+Ec+Ek+Eh+

2、Ed Ein地震過(guò)程中輸入結(jié)構(gòu)體系的能量；Ev 結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)能；Ec結(jié)構(gòu)體系的粘滯阻尼耗能；Ek結(jié)構(gòu)體系的彈性應(yīng)變能；Eh結(jié)構(gòu)體系的滯回耗能；Ed耗能（阻尼）裝置或耗能元件耗散或吸收的能量。從能量角度分析耗能減震結(jié)構(gòu)原理a）地震輸人 b）傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu) c）消能減震結(jié)構(gòu)從能量角度分析耗能減震結(jié)構(gòu)原理傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震分析 Ev、Ek不耗能，只做能量的轉(zhuǎn)換 Ec占比很小 主要靠Eh（結(jié)構(gòu)體系滯回耗能），彈塑性變形耗能，構(gòu)件會(huì)損失甚至破壞。耗能減震結(jié)構(gòu) 耗能阻尼裝置在結(jié)構(gòu)主體進(jìn)入彈塑性變形前發(fā)揮作用，進(jìn)入耗能工作狀態(tài)，充分發(fā)揮耗能作用，耗散大量輸入結(jié)構(gòu)體系的地震能量，則結(jié)構(gòu)本身需消耗的能量很少，這意味著結(jié)

3、構(gòu)反應(yīng)將大大減小，從而有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，使其不再受到損傷或破壞。單質(zhì)點(diǎn)體系減震結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和性能減震結(jié)構(gòu)是依靠與主結(jié)構(gòu)連接的阻尼器的附加剛度和粘滯特性，對(duì)建筑物在地震作用下產(chǎn)生的位移、速度、加速度反應(yīng)進(jìn)行控制。附加剛度系統(tǒng)周期縮短粘滯特性吸收能量，導(dǎo)致增加阻尼等效周期與等效阻尼比降低地震反應(yīng)的原理Sd、Spv、Spa的分別表示位移反應(yīng)譜、擬速度反應(yīng)譜、擬加速度反應(yīng)譜自振周期Tf有阻尼器是等效周期Teq初始阻尼比h0等效阻尼比heq等效周期與等效阻尼比降低地震反應(yīng)的原理效應(yīng)1（附加剛度）： 周期上升，位移減小加速度上升效應(yīng)2（增加阻尼）： 阻尼增加，位移、速度、加速度均減小減震結(jié)構(gòu)的滯回特性

4、及其效應(yīng)在減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)簡(jiǎn)易預(yù)測(cè)及設(shè)計(jì)中，必須考慮減震構(gòu)件的滯回特性及其與其他構(gòu)件的平衡關(guān)系、地震動(dòng)的輸入特性、減震構(gòu)件與主結(jié)構(gòu)的制約條件，對(duì)減震構(gòu)件附加給主結(jié)構(gòu)的剛度與粘滯特性所產(chǎn)生的效應(yīng)做出適當(dāng)?shù)脑u(píng)估。減震結(jié)構(gòu)的滯回特性及其效應(yīng)圖 用單質(zhì)點(diǎn)體系模型表述減震機(jī)理圖a表示直接型的支撐型，圖b表示間接型的中間柱型，圖c表示阻尼器和支撐串聯(lián)，然后和主體框架并聯(lián)。減震結(jié)構(gòu)的滯回特性及其效應(yīng)圖 使用各種阻尼器的減震結(jié)構(gòu)中的能量吸收部分、附加體系、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)減震結(jié)構(gòu)的滯回特性及其效應(yīng)儲(chǔ)存剛度=最大變形時(shí)的力/最大位移 損失剛度=零變形時(shí)的力/最大位移 油阻尼器和粘滯阻尼器的能量吸收部分的儲(chǔ)存剛度

5、為零粘彈性阻尼器和軟鋼阻尼器的能量吸收部分的兩種剛度均存在減震設(shè)計(jì)方法的基本原理給建筑物附加剛度和阻尼，其附加的程度可用儲(chǔ)存剛度和損失剛度來(lái)表示若能評(píng)估阻尼器的儲(chǔ)存剛度和損失剛度，就可以評(píng)估系統(tǒng)的儲(chǔ)存剛度和損失剛度，進(jìn)而求得等效自振周期和阻尼比。第三節(jié)，耗能減震裝置粘滯阻尼器主要有筒式粘滯阻尼器、粘滯阻尼墻系統(tǒng)等。筒式粘滯阻尼器一般由缸體、活塞和粘滯流體組成?；钊祥_(kāi)有小孔，并可以在充有硅油或其他粘性流體的缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞與筒體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體從活塞的小孔內(nèi)通過(guò)，對(duì)兩者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻尼，從而耗散能量。粘滯阻尼器摩擦阻尼器摩擦耗能器是根據(jù)摩擦做功而耗散能量的原理設(shè)計(jì)的。金屬阻尼器工

6、作特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)處在正常使用狀態(tài)時(shí)，消能支撐充當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為結(jié)構(gòu)提供初始剛度；結(jié)構(gòu)在大震或強(qiáng)風(fēng)作下，消能支撐率先進(jìn)入屈服耗能階段，抗疲勞性能好，滯回環(huán)飽滿，增強(qiáng)了耗能能力，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器是由粘彈性材料和約束鋼板所組成。粘彈性阻尼器的典型滯回曲線呈橢圓形，具有很好的耗能性能，它能同時(shí)提供剛度和阻尼。粘彈性阻尼器的性能受溫度、頻率和應(yīng)變幅值的影響。其耗能能力隨著溫度的增加而降低；隨著頻率的增加而增加，但在高頻下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耗能能力逐漸退化至某一平衡值。粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器(3M) 美國(guó)世貿(mào)雙塔樓1969World Trade C

7、enter Tower消能裝置：3M 粘彈性阻尼器共100002個(gè)從10層到110層，每層100個(gè)，每塔樓10000個(gè)，兩棟塔樓阻尼比由原來(lái)不到1%增加到3.0%建設(shè)日期：1966-1973年（1969年開(kāi)始裝設(shè)阻尼器）粘彈性阻尼器減震性能曲線的繪制方法減震性能曲線的繪制步驟如下：粘彈性阻尼器利用單質(zhì)點(diǎn)體系進(jìn)行初步設(shè)計(jì)粘彈性阻尼器多質(zhì)點(diǎn)減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)步驟粘彈性阻尼器多質(zhì)點(diǎn)減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法粘彈性阻尼器多質(zhì)點(diǎn)減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)流程：粘彈性阻尼器的設(shè)置形式粘彈性阻尼器試件形狀： 粘彈性阻尼器的工程實(shí)例 使用粘彈性阻尼器的鋼結(jié)構(gòu)24層辦公樓 本實(shí)例是將大地震下能量吸收能力優(yōu)良的軟鋼阻尼器

8、設(shè)置在低層，將強(qiáng)風(fēng)時(shí)或大地震時(shí)均可獲得附加阻尼效應(yīng)的粘彈性阻尼器設(shè)置在高層，構(gòu)成對(duì)地震和風(fēng)振均有效的減震體系。粘彈性阻尼器的工程實(shí)例本建筑物是地下1層、地上24層、塔樓3層的綜合建筑物，最大高度為132.6m，主要用途為商店、縣立學(xué)校、辦公樓等。 標(biāo)準(zhǔn)層的平面形狀為68.6m的柱網(wǎng)所構(gòu)成的24.6m42m的矩形，另有17層的低層部分。23層中設(shè)置天象儀、由18m柱距的大空間構(gòu)成。 基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，使用鋼管混凝土樁。上部結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)（柱為鋼管混凝土CFT），120層為附加阻尼器的框架結(jié)構(gòu)，21層以上為支撐結(jié)構(gòu)。 粘彈性阻尼器的工程實(shí)例結(jié)構(gòu)規(guī)劃時(shí)，在以框架結(jié)構(gòu)為主的主結(jié)構(gòu)上設(shè)置軟鋼滯回阻尼器和粘彈性

9、阻尼器的兩種阻尼器，對(duì)地震和風(fēng)振兩種外部擾動(dòng)實(shí)施有效的減震粘彈性阻尼器的工程實(shí)例 由于滯回阻尼器對(duì)大地震時(shí)的能量吸 收特別有效，因此在樓層面積大的低層部分設(shè)置，目的是希望滯回阻尼器在吸收所在層地震能量的同時(shí)可減少對(duì)高層的輸入。由于粘彈性阻尼器在小振幅情況下也具有附加阻尼的特性，故在強(qiáng)風(fēng)可能作用的高層部分的短邊方向設(shè)置，粘彈性阻尼器在改善強(qiáng)風(fēng)時(shí)居住性能的同時(shí)也可在地震時(shí)產(chǎn)生附加阻尼作用。粘彈性阻尼器的工程實(shí)例第四節(jié)，盲分析簡(jiǎn)介2009年，日本E-Ddfense研究中心用世界上最大的振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了5層樓足尺寸帶減震斜撐的鋼框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并舉行了盲分析大賽。試驗(yàn)用同一個(gè)鋼框架結(jié)構(gòu)，分別加裝不同的阻尼

10、器進(jìn)行測(cè)試，包含了金屬阻尼器、油阻尼器、粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器，最后再測(cè)試了不加阻尼器的鋼框架7。在試驗(yàn)進(jìn)行前，主辦單位舉辦了一個(gè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)預(yù)測(cè)的國(guó)際競(jìng)賽，參與此競(jìng)賽的學(xué)者專家針對(duì)五層鋼框架分別加裝金屬阻尼器和粘性阻尼器的地震反應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。需要提交的預(yù)測(cè)結(jié)果包括每一層相對(duì)于基礎(chǔ)的位移絕對(duì)值的最大值、每一層的絕對(duì)加速的的最大值、每一層的層間剪力和層間位移的最大值、第1層柱以及第2層梁跨中的最大應(yīng)變、第1層和第4層阻尼器軸向力的最大值和最小值、盲分析簡(jiǎn)介 第1層和第4層阻尼器軸向位移的最大值和最小值。各參賽隊(duì)提供的以上各項(xiàng)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間誤差的均方根作為評(píng)定名次的指標(biāo)。 盲分析比賽分兩步進(jìn)行。

11、第一步是前分析，參賽隊(duì)輸入的地震波是振動(dòng)臺(tái)預(yù)計(jì)輸入到結(jié)構(gòu)上的地地震波，而確切的振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)要需在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)加速度傳感器測(cè)量后后才知道，所以盲分析比賽的第二步后分析也是必要的，在后分析中，參賽隊(duì)使用振動(dòng)臺(tái)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況評(píng)估結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。比賽的評(píng)估參數(shù)主要集中在15% Takatori記錄和100% Takatori記錄作用下的地震響應(yīng)。盲分析簡(jiǎn)介模型盲分析比賽采用了一個(gè)5層的鋼框架模型，沒(méi)有加阻尼器的鋼框架模型見(jiàn)圖2-1。此模型長(zhǎng)度方向定義為Y向，寬度方向定義為X向，長(zhǎng)度方向?yàn)殡p跨共12米，寬度方向?yàn)殡p跨共10米。此五層樓鋼結(jié)構(gòu)的一樓層高為3.85m，二到四層層高為3m，五樓層高為2.985

12、m。二到五層混凝土樓板厚度均為165mm，頂樓的為150mm。模型的重量由鋼梁、鋼柱、鋼承板、混凝土樓板、內(nèi)外墻、樓梯、測(cè)量?jī)x器等組成。從二樓到頂樓，分配到每層樓的重量為867、842、835、790、1451kN。鋼材部分，梁的材質(zhì)為SN490B，冷彎箱型柱材質(zhì)為BCR295，構(gòu)件的主梁、柱尺寸詳見(jiàn)表2-1、表2-2，梁截面為寬翼斷面，柱截面為中空方管。阻尼器在一樓到四樓X2、Y1和Y3軸線上布置，如圖2-2所示，共12個(gè)阻尼器。盲分析模型 盲分析模型在一樓到四樓X2、Y1和Y3軸線上布置，如圖2-2所示，共12個(gè)阻尼器。第五節(jié)，ETABS模型的建立和分析ETABS 是有美國(guó)CSI公司開(kāi)發(fā)研

13、制的房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件。ETABS已有近30年的歷史，是美國(guó)乃至全球公認(rèn)的高層結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，是房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。是一個(gè)完善且易于使用的建筑結(jié)構(gòu)專用分析與設(shè)計(jì)程序，具有直觀、強(qiáng)大的圖形界面和建模、分析、設(shè)計(jì)、詳圖功能。功能：建模功能 分析功能：反應(yīng)譜分析 線性時(shí)程分析 非線性時(shí)程分析 靜力非線性分析（push-over方法）ETABS建模ETABS建模主要步驟（1）新建軸網(wǎng)（2）定義材料、框架截面、板截面（3）繪制結(jié)構(gòu)構(gòu)件（4）指定約束（5）定義荷載模式、質(zhì)量源、時(shí)程函數(shù)、反應(yīng)譜函數(shù)（6）定義荷載工況（7）運(yùn)行分析、查看分析結(jié)果 ETABS建模M

14、odel File: 粘彈性阻尼 2015/5/12ETABS建模1 模型簡(jiǎn)化 本次設(shè)計(jì)采用有限元分析軟件Etabs建模，模型中各個(gè)構(gòu)件的截面尺寸、材料屬性以及物理性能是從盲分析資料中提取的。其中做了幾點(diǎn)簡(jiǎn)化或變化：1 各種鋼材均采用了其平均彈性模量；2 次梁與主梁的連接采用剛接，主梁沿全長(zhǎng)采用等截面；3樓面及樓層附重在其對(duì)應(yīng)空間內(nèi)采用均布荷載的形式；4一、二層外墻采用均布線載施加在對(duì)應(yīng)主梁上；5樓梯采用質(zhì)量等效的方式換算成厚度均勻的鋼板，沒(méi)考慮其橫向剛度對(duì)樓層剛度的影響； 6 通過(guò)調(diào)整附重使得模型樓層重量與資料中提供的樓層質(zhì)量基本一致2 承重結(jié)構(gòu)截面尺寸及材料詳見(jiàn)盲分析資料ETABS建模3

15、減震前結(jié)構(gòu)樓層數(shù)據(jù)沒(méi)設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)模型形式如下：設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)概圖如下：ETABS建模數(shù)據(jù)對(duì)比StoryStiffness XStiffness YkN/mkN/mStory553066.03654661.104Story460916.76756747.471Story370279.21764474.798Story274799.25969559.841Story185164.62577350.461表六 樓層剛度StoryStiffness XStiffness YkN/mkN/mStory568915.07364341.547Story486390.50176354.647Story3

16、103539.80491813.894Story2110577.86898473.7Story1110178.12893691.58表十四 減震結(jié)構(gòu)樓層剛度樓層剛度減震結(jié)構(gòu)的樓層剛度表七 模態(tài)周期、頻率StoryAcceleration XAcceleration YAcceleration ZStory518407170361548Story415974122334134Story313868106754079Story211760116693766Story1822177644328StoryAcceleration XAcceleration YAcceleration ZStory56

17、6746854327Story4545854611525Story3486648571513Story2419642311647Story1358135561900樓層加速度減震結(jié)構(gòu)樓層加速度ETABS建模CaseModePeriodFrequencyCircular FrequencyEigenvalueseccyc/secrad/secrad/secModal10.8791.1387.150951.1354Modal20.8531.1727.363454.2191Modal30.6321.5839.947298.9464Modal40.2763.62922.8037520.0103Moda

18、l50.2713.68723.1652536.6259Modal60.2074.83330.3696922.3108Modal70.147.1444.86122012.5241Modal80.1367.33446.07972123.3344Modal90.1069.40359.0813490.5677Modal100.08911.2570.6834996.0807Modal110.08611.69373.47155398.0685Modal120.06814.78992.91998634.1104模態(tài)周期、頻率CaseModePeriodFrequencyCircular FrequencyE

19、igenvalueseccyc/secrad/secrad/secModal10.7641.3098.225267.6534Modal20.721.3898.729176.1964Modal30.5651.7711.1199123.6516Modal40.2533.95524.8491617.4757Modal50.2384.19826.3757695.6763Modal60.1935.18732.59171062.2206Modal70.137.66948.18322321.6247Modal80.1238.14751.19172620.5859Modal90.19.97862.690539

20、30.0989Modal100.08411.9575.08595637.8984Modal110.07812.76680.21296434.1079Modal120.06415.5797.82959570.6083減震結(jié)構(gòu)模態(tài)周期、頻率ETABS建模StoryShearshearKNKNStory5890912Story412661298Story316051601Story218561848Story120111990XYStory51/2311/190Story41/1811/160Story31/1771/156Story21/1631/147Story11/1951/121減震結(jié)構(gòu)樓層

21、剪力 減震結(jié)構(gòu)在BCJ-L2作用下X、Y向最大樓層轉(zhuǎn)角StoryShearShearKNKNStory520291975Story426742629Story333242986Story239793272Story144023589樓層剪力XYStory51/651/73Story41/511/54Story31/461/52Story21/421/54Story11/571/76 BCJ-L2作用下X、Y向最大樓層轉(zhuǎn)角ETABS建模減震前后X方向的樓層轉(zhuǎn)角減震前后Y方向的樓層轉(zhuǎn)角減震前后X向樓層剪力 減震前后Y向樓層剪力 減震前后X向樓層加速度 減震前后Y向樓層加速度ETABS建模對(duì)比分析結(jié)

22、果： 安裝粘彈性阻尼器的結(jié)構(gòu)，其樓層轉(zhuǎn)角基本大于1/150，X方向樓層剪力降低幅度在51.7%-56.1%之間，Y方向樓層剪力降低幅度在43.6%-53.8%之間，X方向樓層加速度降低幅度在56.4%-65.8%之間，Y方向樓層加速度降低幅度在54.2%-63.7%之間。不難發(fā)現(xiàn)，粘彈性阻尼器的減震效果是明顯的。 Excel表格設(shè)計(jì)分析1 等效單質(zhì)點(diǎn)體系儲(chǔ)存剛度計(jì)算 Excel表格計(jì)算部分采用課程被動(dòng)減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).施工手冊(cè)提供的Excel計(jì)算軟件進(jìn)行輔助計(jì)算。Excel計(jì)算部分的實(shí)質(zhì)是求出結(jié)構(gòu)所需的存儲(chǔ)剛度，用以粘彈性阻尼器的設(shè)計(jì)。 Excel表格計(jì)算使用BCJ-L2人工合成波的反應(yīng)譜。性能目

23、標(biāo)層間位移角：選用1/150。 根據(jù)Excel提供的位移反應(yīng)譜，采用差值法求解基本周期對(duì)應(yīng)的位移反應(yīng)譜值。 Excel表格采用了迭代法進(jìn)行求解阻尼器損失系數(shù) 的迭代采用如下公式： 減震結(jié)構(gòu)的等效自振頻率Excel表格設(shè)計(jì)分析阻尼器損失系數(shù)(第1階段按T=Tf確定)阻尼器損失剛度比阻尼器儲(chǔ)存剛度比連接構(gòu)件剛度與阻尼器儲(chǔ)存剛度比附加體系的儲(chǔ)存剛度比附加體系損失系數(shù)0.9650.4530.46921.30.46570.88500.9850.4530.46021.80.45720.90300.9840.4530.46021.80.45740.90260.9840.4530.46021.80.45740

24、.9026 阻尼器損失系數(shù)的迭代計(jì)算 對(duì)于丙烯類阻尼器的 取決于減震結(jié)構(gòu)的等效和溫度，但和周期的相關(guān)度小。根據(jù)這個(gè)性質(zhì)，在第一次迭代求 時(shí)，我們用 近似替代 。求出 和 后，我們利用Excel表格中的數(shù)據(jù)用插值的方法求出此時(shí)的 如表：Excel表格設(shè)計(jì)分析2 多質(zhì)點(diǎn)體系儲(chǔ)存剛度分配由等效單質(zhì)點(diǎn)體系求得的儲(chǔ)存剛度比 ，我們可以進(jìn)行多質(zhì)點(diǎn)體系儲(chǔ)存剛度的分配，分配結(jié)果如下表：層阻尼器個(gè)數(shù)黏彈性體層數(shù)黏彈性體厚度(cm)黏彈性體長(zhǎng)度(cm)黏彈性體寬度(cm)黏彈性體剪切面積(cm2)阻尼器儲(chǔ)存剛度(kN/cm)5161.0012016.3711786.54256.354181.0012021.9621084.31458.5731101.0012022.4126886.73584.7721101.0012026.8932265.52701.761161.0012019.6914178.133