多層房屋結(jié)構(gòu)屋頂隔熱層作為md減震裝置的設(shè)想

多層房屋結(jié)構(gòu)屋頂隔熱層作為md減震裝置的設(shè)想

0tmd系統(tǒng)減振控制效果調(diào)聲源鎮(zhèn)流裝置是一種初步結(jié)構(gòu)控制裝置。面向工程設(shè)計(jì),TMD是一種簡(jiǎn)單,便于安裝,易于維修和更換的控制結(jié)構(gòu)裝置,在工程抗震設(shè)計(jì)中有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值。目前,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在房屋結(jié)構(gòu)施加調(diào)諧質(zhì)量阻尼器進(jìn)行減震控制分析理論研究方面取得顯著的成效。理論分析研究表明:對(duì)于一般多層房屋建筑,在地震激勵(lì)下,結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面的最大位移發(fā)生在頂層。將TMD設(shè)在頂層并且控制第一振型頻率比控制其它頻率控制效果要好的多。同時(shí),研究結(jié)果還表明:TMD的阻尼比在(0.05～0.1)范圍內(nèi),減振效果好,但超過(guò)0.2時(shí),減振效果不明顯;TMD質(zhì)量比小于0.01時(shí),減振效果不明顯,隨著TMD質(zhì)量比的增大,控制效果越來(lái)越好,但u大于某一值時(shí)(超過(guò)3%),此時(shí)減振效果不明顯;TMD的頻率與原結(jié)構(gòu)的頻率比在0.95左右時(shí)控制效果較佳。近年來(lái),橡膠墊隔震技術(shù)研究也取得了很大的進(jìn)展,其技術(shù)原理是通過(guò)安裝在建筑物上的控制系統(tǒng)(例如隔震支座),按照設(shè)計(jì)意圖,科學(xué)地調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼和抗力,以消減和承受地震力的突然襲擊,控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)不致超限,保證其安全性。特別是具有代表性的鋼板夾層橡膠隔震支座現(xiàn)在已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的隔震裝置?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)控制理論研究成果及橡膠墊隔震技術(shù)的研究進(jìn)展,本文將研究多層房屋結(jié)構(gòu)采用TMD系統(tǒng)的減震控制分析,即以多層房屋結(jié)構(gòu)屋頂上的隔熱層作為T(mén)MD系統(tǒng)。具體的做法是把隔熱板作為集中的質(zhì)量塊,隔熱板支座為多層橡膠支座,如圖1所示。這種控制體系概念簡(jiǎn)單、減振機(jī)理明確,減震效果顯著。它既能作為房屋抗震的多道防線之一,又不會(huì)影響房屋的使用功能,且造價(jià)也較低,是一種理想的減震方法。1tmd的力微分方程假設(shè)在房屋頂層安裝TMD減振裝置對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施振動(dòng)控制。TMD-結(jié)構(gòu)采用剪切型,計(jì)算模型如圖1所示。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力微分方程為Μ??X+C˙X+ΚX=-ΜL??Xg+fΤΜD(1)MX??+CX˙+KX=?MLX??g+fTMD(1)TMD的動(dòng)力微分方程為Μd(??Xg+??Xd)+Cd(˙Xd-˙Xj)+Κd(Xd-Xj)=0(2)Md(X??g+X??d)+Cd(X˙d?X˙j)+Kd(Xd?Xj)=0(2)其中,M、K、C分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。Md、Kd、Cd分別為T(mén)MD的質(zhì)量、彈簧剛度及阻尼矩陣,且有Cd=2Mdξdwd,ξd為阻尼比,wd為T(mén)MD的振動(dòng)頻率(wd=√Κdmd(wd=Kdmd???√;X為結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地面的位移向量,X=[X1X2…Xn]T;Xj為T(mén)MD所在位置處結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面的位移向量;Xd(即Xn+1)為T(mén)MD相對(duì)于地面的位移向量;˙XX˙、??XX??分別為結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面的速度和加速度向量;L=[111…1]T;fTMD為T(mén)MD的控制力;??XgX??g為地面運(yùn)動(dòng)的加速度向量。2表層橡膠支架地震反應(yīng)分析的簡(jiǎn)化模型和計(jì)算2.1隔震層的等價(jià)剛度地震荷載作用下普通橡膠墊隔震支座恢復(fù)力特性可以簡(jiǎn)化成線彈性模型,如圖2b所示。鋼阻尼器的恢復(fù)力特性可以簡(jiǎn)化成理想彈塑性模型,如圖2c所示,其恢復(fù)力特性?xún)H取決于初始剛度kd。既有疊層橡膠支座又有阻尼器的隔震系統(tǒng),其恢復(fù)力特性是疊層橡膠支座和阻尼器恢復(fù)力特性的組合,如圖2a所示。圖2中,K1、K2分別是隔震系統(tǒng)的初始剛度(K1=K2+Kd)和第二剛度,Qy、δy分別是隔震系統(tǒng)的屈服剪力和屈服變位,Py、Kd分別是阻尼器屈服荷載和初期剛度。等價(jià)雙線型恢復(fù)模型有K1、K2兩個(gè)剛度,稱(chēng)為隔震層的等價(jià)剛度,它是對(duì)真實(shí)剛度的等價(jià)近似。用近似剛度系統(tǒng)、真實(shí)剛度系統(tǒng)自振周期及兩系統(tǒng)阻尼自由振動(dòng)位移包絡(luò)線相同為等價(jià)條件,可得到等價(jià)系統(tǒng)剛度K1、K2的計(jì)算公式。2.2橡膠層壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在地震反應(yīng)計(jì)算中,由于支座等效剛度和等效阻尼比對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響較大,故應(yīng)考慮這一影響。2.2.1膠、鋼板厚度選取支座截面形狀為圓柱形,如圖3所示。支座中橡膠共10層,厚度為50mm;鋼板共9層,厚度29mm。為了增加摩擦力,在支座頂面鋼板上加潤(rùn)滑油使鋼板與TMD質(zhì)量塊支座間摩擦系數(shù)最小。2.2.2橡膠的本構(gòu)模型支座水平等效剛度大小取橡膠支座在最大變形時(shí)割線剛度,計(jì)算公式如下:ΚΗ=GAntrΚ(3)ΚV=πD4EcbS2(4)Ecb=3G+6GS21/(1+6GS21)/Eb)KH=GAntrK(3)KV=πD4EcbS2(4)Ecb=3G+6GS21/(1+6GS21)/Eb)式中:KH、KV為水平和豎向剛度;G為橡膠的剪切模量,取0.4N/mm2;A為橡膠支座截面面積;K為剛度修正系數(shù),一般為1;Eb為橡膠的體積彈性模量;Ecb為疊層橡膠支座的體積彈性模量;S1、S2為第一、二形狀系數(shù);tr、D、n為單層橡膠厚度、橡膠直徑和橡膠層數(shù)。2.2.3多層橡膠合成甲基對(duì)wolbacod的影響根據(jù)大量文獻(xiàn)資料研究,高阻尼疊層橡膠支座在水平剪切荷載下,具有較大的等效阻尼特性。疊層橡膠支座每一循環(huán)滯回曲線包圍的面積反映了支座耗能能力的大小。從試驗(yàn)結(jié)果看出,多層橡膠支座的等效阻尼比一般在8%～15%之間變化。在地震反應(yīng)計(jì)算中,疊層橡膠支座在不同剪切變形率時(shí),阻尼比8%～15%之間取建議值比較合理。3屋頂隔熱層用作td系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1屋頂熱層的組成和設(shè)計(jì)原則(1)有阻尼性疊層橡膠支柱屋頂隔熱層(TMD)構(gòu)造組成是由隔熱板的質(zhì)量塊以及有阻尼性疊層橡膠支座組成。有阻尼性疊層橡膠支座常有鉛蕊多層橡膠和高阻尼型疊層橡膠兩種。本文將選用高阻尼疊層橡膠支座。(2)高阻尼疊層橡膠特性高阻尼疊層橡膠采用特殊配制橡膠材料制成,且有以下特性。①具有很大的豎向剛度和水平剛度,這樣可使支座具有足夠的能力承受上部質(zhì)量塊,并且又能使水平方向具有很大的變形能力。②高阻尼疊層橡膠粘性較大,其自身可以吸收振動(dòng)能量,它的功能如同阻尼器。因此,合理設(shè)計(jì)高阻尼疊層橡膠支座既可以作為隔熱層(TMD)的彈簧系統(tǒng),又可以是阻尼系統(tǒng)。(3)隔熱層tmd設(shè)計(jì)其設(shè)計(jì)原理是在建筑物的屋頂利用隔熱板設(shè)置滾動(dòng)質(zhì)量層,利用質(zhì)量層的慣性來(lái)減小建筑的振動(dòng)。因此,隔熱層(TMD)構(gòu)造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在:一是盡量使隔熱板做成串聯(lián)的集中質(zhì)量塊,再選取合理的TMD質(zhì)量比u,算出Md;二是依據(jù)TMD自振頻率與結(jié)構(gòu)原頻率之比接近f=1時(shí),選取結(jié)構(gòu)控制第一振型,計(jì)算高阻尼疊層橡膠支座KH、Cd以及數(shù)量。3.2tmd安裝參數(shù)的自振控制策略地震作用下,多層房屋結(jié)構(gòu)頂層加設(shè)TMD控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟:(1)以多層房屋結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,建立動(dòng)力計(jì)算模型,并計(jì)算出各質(zhì)點(diǎn)的集中質(zhì)量、質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。(2)計(jì)算無(wú)TMD時(shí)多層房屋結(jié)構(gòu)的自振頻率、標(biāo)準(zhǔn)化振型和廣義振型質(zhì)量M1。(3)選取多層房屋結(jié)構(gòu)欲控制的振型,將TMD的自振頻率調(diào)諧于結(jié)構(gòu)控制振型所相應(yīng)的頻率,即f=wdw1=1?f=wdw1=1?或fopt=wdwifopt=wdwi。(4)假設(shè)TMD系統(tǒng)的質(zhì)量比u,計(jì)算出TMD系統(tǒng)最優(yōu)頻率比f(wàn)opt或f=1,以及阻尼比ξd。ξd可按最優(yōu)TMD參數(shù)選擇計(jì)算程序選取。(5)計(jì)算TMD安裝參數(shù)md、Kd和Cd。md=um1,Kd=mdw2d,Cd=2mdwdξd。(6)進(jìn)行結(jié)構(gòu)-TMD系統(tǒng)時(shí)程分析,若不滿(mǎn)足控制指標(biāo)或安全儲(chǔ)備過(guò)大,返回步驟4。(7)根據(jù)TMD的md、Kd和Cd進(jìn)行屋頂隔熱層作為T(mén)MD構(gòu)造設(shè)計(jì)。4tmd結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)某六層磚混結(jié)構(gòu)辦公樓,標(biāo)準(zhǔn)層如圖4所示,質(zhì)量和剛度如表1。層高3.3m,室內(nèi)外高差300mm,樓蓋為90mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆板,屋蓋為100mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。墻體采用240厚Mu10粘土磚M5混合砂漿砌筑。設(shè)防裂度8度,建造于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地土,設(shè)計(jì)地震分組為三組。屋頂為不上人屋面。試進(jìn)行屋頂隔熱層(TMD)參數(shù)設(shè)計(jì)和隔熱層構(gòu)造設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下:(1)屋頂層設(shè)隔熱層(TMD)系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)參數(shù)為:選取結(jié)構(gòu)控制第一振型,將TMD的自振頻率調(diào)諧于結(jié)構(gòu)控制振型所相應(yīng)的頻率,并假設(shè)屋頂層設(shè)隔熱層(TMD)系統(tǒng)裝置的質(zhì)量比u=0.03,取f=1。Mdx=289.7×102kg,Mdy=289.1×102kgKdx=1066.4KN·m-1,Kdy=1447.138KN·m-1Cdx=29.418KN·S·m-1,Cdy=34.269KN·S·m-1M=15.08×105kg,ξd=0.092由于uΤ=ΜdxΜ=1.9%,則TMD質(zhì)量為結(jié)構(gòu)總重量的1.9%。(2)隔熱層(TMD)系統(tǒng)支座剛度和支座數(shù)量計(jì)算,選取支座截面形狀為圓柱形,如圖3所示。根據(jù)疊層橡膠支座特性,KV足夠大,完全可以承受隔熱板(TMD)重量,在此可以省略不計(jì)算。由(3)式得:KH=56.52KN/m,支座數(shù)量m=ΚdΚΗ=1447.13856.52=25.6個(gè),取m=28個(gè)。支座平面布置如圖5所示。(3)隔熱層質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖5疊層橡膠支座平面布置圖,為使隔熱板形成滾動(dòng)的集中質(zhì)量塊,屋頂隔熱板設(shè)計(jì)成串聯(lián)的集中梁板結(jié)構(gòu)(預(yù)制板為2900×1000×30mm)質(zhì)量塊。設(shè)計(jì)布置圖如圖6所示。按圖6所示計(jì)算:隔熱層質(zhì)量:md=294×102kg與假設(shè)質(zhì)量比u=0.03時(shí)的TMD質(zhì)量:md=289.7×102kg兩者相接近,所以滿(mǎn)足傳統(tǒng)屋頂隔熱層設(shè)計(jì)要求。(4)六層結(jié)構(gòu)-TMD系統(tǒng)地震反應(yīng)時(shí)程分析。假設(shè)地震激勵(lì)采用EL-centro波,峰值加速度為340GaL。表2為各樓層時(shí)程分析結(jié)果,圖7為頂層位移時(shí)程。表2中D和D0分別表示設(shè)置和未設(shè)置TMD時(shí)結(jié)構(gòu)層最大位移,η表示控制效果,即:(D0-D)D0×100%。從表2及圖7時(shí)程分析可以看出,隔熱層(TMD)阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)方法是可行的,結(jié)構(gòu)各樓層的位移峰值得以降低,頂層位移峰值降低最顯著,控制率都在20%～30%左右。而隔熱層(TMD)阻尼器本身的質(zhì)量?jī)H為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的1.9%。5屋頂隔熱層作為減速裝置的設(shè)計(jì)結(jié)果分析本文研究利用多層房屋結(jié)構(gòu)屋頂隔熱層作為T(mén)MD裝置系統(tǒng)進(jìn)行減震性能分析,建立了TMD控制結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,其中應(yīng)用了雙線型恢復(fù)模型描述橡膠隔