被動減震結(jié)構(gòu)設(shè)計簡述

被動減震結(jié)構(gòu)設(shè)計簡述第一頁，共58頁。匯報內(nèi)容：被動減震結(jié)構(gòu)的基本概述減震原理耗能減震裝置盲分析簡介ETABS模型的建立和分析Excel設(shè)計分析有關(guān)的學(xué)術(shù)期刊和論文第二頁，共58頁。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第三頁，共58頁。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。第四頁，共58頁。第二節(jié)減震原理從能量角度分析單質(zhì)點體系減震結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和性能各阻尼器的特性第五頁，共58頁。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+EdEin——地震過程中輸入結(jié)構(gòu)體系的能量；Ev——結(jié)構(gòu)體系的動能；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。第六頁，共58頁。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)第七頁，共58頁。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)主體進入彈塑性變形前發(fā)揮作用，進入耗能工作狀態(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)構(gòu)反應(yīng)將大大減小，從而有效地保護了主體結(jié)構(gòu)，使其不再受到損傷或破壞。第八頁，共58頁。單質(zhì)點體系減震結(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，對建筑物在地震作用下產(chǎn)生的位移、速度、加速度反應(yīng)進行控制。附加剛度——系統(tǒng)周期縮短粘滯特性——吸收能量，導(dǎo)致增加阻尼第九頁，共58頁。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第十頁，共58頁。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、加速度均減小第十一頁，共58頁。減震結(jié)構(gòu)的滯回特性及其效應(yīng)在減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)簡易預(yù)測及設(shè)計中，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、地震動的輸入特性、減震構(gòu)件與主結(jié)構(gòu)的制約條件，對減震構(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估。第十二頁，共58頁。減震結(jié)構(gòu)的滯回特性及其效應(yīng)圖用單質(zhì)點體系模型表述減震機理圖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)。第十三頁，共58頁。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)第十四頁，共58頁。減震結(jié)構(gòu)的滯回特性及其效應(yīng)儲存剛度=最大變形時的力/最大位移損失剛度=零變形時的力/最大位移油阻尼器和粘滯阻尼器的能量吸收部分的儲存剛度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第十五頁，共58頁。減震設(shè)計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存剛度和損失剛度來表示若能評估阻尼器的儲存剛度和損失剛度，就可以評估系統(tǒng)的儲存剛度和損失剛度，進而求得等效自振周期和阻尼比。第十六頁，共58頁。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_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)運動。當(dāng)活塞與筒體間產(chǎn)生相對運動時，流體從活塞的小孔內(nèi)通過，對兩者的相對運動產(chǎn)生阻尼，從而耗散能量。粘滯阻尼器第十七頁，共58頁。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)計的。金屬阻尼器工作特點：結(jié)構(gòu)處在正常使用狀態(tài)時，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)在大震或強風(fēng)作下，消能支撐率先進入屈服耗能階段，抗疲勞性能好，滯回環(huán)飽滿，增強了耗能能力，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。第十八頁，共58頁。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。第十九頁，共58頁。粘彈性阻尼器第二十頁，共58頁。粘彈性阻尼器第二十一頁，共58頁。粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器(3M)美國世貿(mào)雙塔樓1969WorldTradeCenterTower消能裝置：3M粘彈性阻尼器共10000×2個從10層到110層，每層100個，每塔樓10000個，兩棟塔樓阻尼比由原來不到1%增加到3.0%建設(shè)日期：1966-1973年（1969年開始裝設(shè)阻尼器）第二十二頁，共58頁。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：第二十三頁，共58頁。粘彈性阻尼器第二十四頁，共58頁。利用單質(zhì)點體系進行初步設(shè)計第二十五頁，共58頁。粘彈性阻尼器多質(zhì)點減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法設(shè)計步驟第二十六頁，共58頁。粘彈性阻尼器多質(zhì)點減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法第二十七頁，共58頁。粘彈性阻尼器多質(zhì)點減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法設(shè)計流程：第二十八頁，共58頁。粘彈性阻尼器的設(shè)置形式第二十九頁，共58頁。粘彈性阻尼器試件形狀：第三十頁，共58頁。粘彈性阻尼器的工程實例使用粘彈性阻尼器的鋼結(jié)構(gòu)24層辦公樓本實例是將大地震下能量吸收能力優(yōu)良的軟鋼阻尼器設(shè)置在低層，將強風(fēng)時或大地震時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)成對地震和風(fēng)振均有效的減震體系。第三十一頁，共58頁。粘彈性阻尼器的工程實例本建筑物是地下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6~8.6m的柱網(wǎng)所構(gòu)成的24.6m×42m的矩形，另有1～7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），1～20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)。第三十二頁，共58頁。粘彈性阻尼器的工程實例結(jié)構(gòu)規(guī)劃時，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阻尼器的兩種阻尼器，對地震和風(fēng)振兩種外部擾動實施有效的減震第三十三頁，共58頁。粘彈性阻尼器的工程實例由于滯回阻尼器對大地震時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可減少對高層的輸入。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風(fēng)時居住性能的同時也可在地震時產(chǎn)生附加阻尼作用。第三十四頁，共58頁。粘彈性阻尼器的工程實例第三十五頁，共58頁。第四節(jié)，盲分析簡介2009年，日本E-Ddfense研究中心用世界上最大的振動臺進行了5層樓足尺寸帶減震斜撐的鋼框架振動臺試驗，并舉行了盲分析大賽。試驗用同一個鋼框架結(jié)構(gòu)，分別加裝不同的阻尼器進行測試，包含了金屬阻尼器、油阻尼器、粘滯阻尼器和粘彈性阻尼器，最后再測試了不加阻尼器的鋼框架[7]。在試驗進行前，主辦單位舉辦了一個結(jié)構(gòu)反應(yīng)預(yù)測的國際競賽，參與此競賽的學(xué)者專家針對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)進行了預(yù)測。需要提交的預(yù)測結(jié)果包括每一層相對于基礎(chǔ)的位移絕對值的最大值、每一層的絕對加速的的最大值、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、第三十六頁，共58頁。盲分析簡介第1層和第4層阻尼器軸向位移的最大值和最小值。各參賽隊提供的以上各項指標(biāo)與實驗結(jié)果之間誤差的均方根作為評定名次的指標(biāo)。盲分析比賽分兩步進行。第一步是前分析，參賽隊輸入的地震波是振動臺預(yù)計輸入到結(jié)構(gòu)上的地地震波，而確切的振動臺運動要需在實驗過程中通過加速度傳感器測量后后才知道，所以盲分析比賽的第二步——后分析也是必要的，在后分析中，參賽隊使用振動臺真實的運動情況評估結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。比賽的評估參數(shù)主要集中在15%Takatori記錄和100%Takatori記錄作用下的地震響應(yīng)。第三十七頁，共58頁。盲分析簡介模型盲分析比賽采用了一個5層的鋼框架模型，沒有加阻尼器的鋼框架模型見圖2-1。此模型長度方向定義為Y向，寬度方向定義為X向，長度方向為雙跨共12米，寬度方向為雙跨共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2.985m。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、測量儀器等組成。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個阻尼器。第三十八頁，共58頁。盲分析模型

第三十九頁，共58頁。

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個阻尼器。第四十頁，共58頁。第五節(jié)，ETABS模型的建立和分析ETABS是有美國CSI公司開發(fā)研制的房屋建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件。ETABS已有近30年的歷史，是美國乃至全球公認(rèn)的高層結(jié)構(gòu)計算程序，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)計軟件的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。是一個完善且易于使用的建筑結(jié)構(gòu)專用分析與設(shè)計程序，具有直觀、強大的圖形界面和建模、分析、設(shè)計、詳圖功能。功能：建模功能

分析功能：反應(yīng)譜分析線性時程分析非線性時程分析靜力非線性分析（push-over方法）第四十一頁，共58頁。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、時程函數(shù)、反應(yīng)譜函數(shù)（6）定義荷載工況（7）運行分析、查看分析結(jié)果

第四十二頁，共58頁。ETABS建模ModelFile:粘彈性阻尼

2015/5/12第四十三頁，共58頁。ETABS建模1模型簡化本次設(shè)計采用有限元分析軟件Etabs建模，模型中各個構(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。其中做了幾點簡化或變化：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，主梁沿全長采用等截面；3樓面及樓層附重在其對應(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，沒考慮其橫向剛度對樓層剛度的影響；6通過調(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盲分析資料第四十四頁，共58頁。ETABS建模3減震前結(jié)構(gòu)樓層數(shù)據(jù)沒設(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：第四十五頁，共58頁。ETABS建模數(shù)據(jù)對比StoryStiffnessXStiffnessYkN/mkN/mStory553066.03654661.104Story460916.76756747.471Story370279.21764474.798Story274799.25969559.841Story185164.62577350.461表六樓層剛度StoryStiffnessXStiffnessY

kN/mkN/mStory568915.07364341.547Story486390.50176354.647Story3103539.80491813.894Story2110577.86898473.7Story1110178.12893691.58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StoryAccelerationXAccelerationYAccelerationZStory518407 17036 1548Story415974122334134Story313868106754079Story211760116693766Story1822177644328StoryAccelerationXAccelerationYAccelerationZStory566746854327Story4545854611525Story3486648571513Story2419642311647Story1358135561900樓層加速度減震結(jié)構(gòu)樓層加速度第四十六頁，共58頁。ETABS建模CaseModePeriodFrequencyCircularFrequencyEigenvalueseccyc/secrad/secrad2/sec2Modal10.8791.1387.150951.1354Modal20.8531.1727.363454.2191Modal30.6321.5839.947298.9464Modal40.2763.62922.8037520.0103Modal50.2713.68723.1652536.6259Modal60.2074.83330.3696922.3108Modal70.147.1444.86122012.5241Modal80.1367.33446.07972123.3344Modal90.1069.40359.0813490.5677Modal100.08911.2570.6834996.0807Modal110.08611.69373.47155398.0685Modal120.06814.78992.91998634.1104模態(tài)周期、頻率CaseModePeriodFrequencyCircularFrequencyEigenvalueseccyc/secrad/secrad2/sec2Modal10.7641.3098.225267.6534Modal20.721.3898.729176.1964Modal30.5651.7711.1199123.6516Modal40.2533.95524.8491617.4757Modal50.2384.19826.3757695.6763Modal60.1935.18732.59171062.2206Modal70.137.66948.18322321.6247Modal80.1238.14751.19172620.5859Modal90.19.97862.69053930.0989Modal100.08411.9575.08595637.8984Modal110.07812.76680.21296434.1079Modal120.06415.5797.82959570.6083減震結(jié)構(gòu)模態(tài)周期、頻率第四十七頁，共58頁。ETABS建模StoryShearshearKNKNStory5890912Story412661298Story316051601Story218561848Story120111990XYStory51/2311/190Story41/1811/160Story31/1771/156Story21/1631/147Story11/1951/121減震結(jié)構(gòu)樓層剪力減震結(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)角第四十八頁，共58頁。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)角第四十九頁，共58頁。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向樓層加速度第五十頁，共58頁。ETABS建模對比分析結(jié)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。

第五十一頁，共58頁。Excel表格設(shè)計分析1等效單質(zhì)點體系儲存剛度計算Excel表格計算部分采用課程《被動減震結(jié)構(gòu)設(shè)計.施工手冊》提供的Excel計算軟件進行輔助計算。Excel計算部分的實質(zhì)是求出結(jié)構(gòu)所需的存儲剛度，用以粘彈性阻尼器的設(shè)計。

Excel表格計算使用BCJ-L2人工合成波的反應(yīng)譜。性能目標(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應(yīng)的位移反應(yīng)譜值。Excel表格采用了迭代法進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)的等效自振頻率第五十二頁，共58頁。Excel表格設(shè)計分析阻尼器

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

儲存剛度比連接構(gòu)件剛

度與阻尼器

儲存剛度比附加體系的

儲存剛度比附加體系

損失系數(shù)0.9650.4530.46921.30.46570.88500.9850.4530.46021.80.45720.90300.9840.4530.46021.80.45740.90260.9840.4530.46021.80.45740.9026

阻尼器損失系數(shù)的迭代計算

對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)這個性質(zhì)，在第一次迭代求時，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的

如表：第五十三頁，共58頁。Excel表格設(shè)計分析2多質(zhì)點體系儲存剛度分配由等效單質(zhì)點體系求得的儲存剛度比，我們可以進行多質(zhì)點體系儲存剛度的分配，分配結(jié)果如下表：層阻尼器個數(shù)黏彈性體

層數(shù)黏彈性體

厚度

(cm)黏彈性體

長度

(cm)黏彈性體

寬度

(cm)黏彈性體

剪切面積

(cm2)阻尼器

儲存剛度

(kN/cm)5161.00120