基于等效线性化理论的消能减震结构设计方法研究

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随着消能减震结构的推广和广泛使用,有关附加金属阻尼或黏滞阻尼的设计方法的研究日趋成熟,其主要方法有目标优化、试算法、倍数法等。这些方法主要是采用时程分析方法进行反复试算直至减震结构的设计满足性能及经济要求为止。基于等效线性化理论的消能减震结构设计方法避免了反复试算,只需设定结构的目标层间位移便可算出结构附加相应阻尼器的阻尼量。但是该方法只详细介绍了结构附加一种阻尼器的计算方法,没有对同时附加两种阻尼器的设计方法进行研究。针对这一现状,本文借鉴此方法研究结构同时附加金属阻尼和黏滞阻尼的消能减震结构设计方法。先根据日本建筑构造技术者协会的对建筑物的形式、层数、高度以及用途等的调查,选择了具有代表性的30层、24层、18层、12层的钢框架写字楼结构作为计算模型。为了避开地震动卓越周期与结构基本周期接近而产生较大地震反应,并影响其统计规律的精度,本文选用在ART BCJ波、ART KOBE波及ART EL CENTRO波3条人工波作用下对计算模型进行弹塑性时程分析。以基于等效线性化理论的消能减震结构设计方法为基础,计算出四种高层结构仅附加金属阻尼的阻尼量和仅附加黏滞阻尼的阻尼量。在地震作用下高层钢框架结构主要发生剪切型变形,下部楼层层间位移相对上部楼层较大,故在下部楼层附加位移相关型阻尼器(如金属阻尼器)。下部楼层附加金属阻尼器后对结构进行时程分析,可知上部楼层的层间速度明显大于下部楼层,因而可以在上部楼层附加速度相关型阻尼器(如黏滞阻尼器),再以基于等效线性化理论确定结构分别计算附加金属阻尼和黏滞阻尼的阻尼量,就得到同时附加金属阻尼和黏滞阻尼的钢框架消能减震结构。在确定结构同时附加金属阻尼和黏滞阻尼的阻尼量时,以基于等效线性化理论的消能减震设计方法计算仅附加金属阻尼的阻尼量和仅附加黏滞阻尼结构的阻尼量为基础,采用了“替代叠加法”和“组合叠加法”来确定同时附加金属阻尼和黏滞阻尼的阻尼量。根据这一设计思想来研究结构同时附加金属阻尼和黏滞阻尼的消能减震设计方法,利用sap2000软件将同时附加金属阻尼和黏滞阻尼结构与原结构、仅附加金属阻尼结构、仅附加黏滞阻尼结构的减震效果进行对比。研究结果表明:在不同楼层的结构和不同地震波的组合中,仅附加金属阻尼结构的反应值有时比仅附加黏滞阻尼结构的反应值大,有时又比仅附加黏滞阻尼结构的反应值小,但同时附加金属阻尼和黏滞阻尼结构的反应值始终位于两者之间,减震效果比较稳定。在某些楼层和地震波的组合中同时附加金属阻尼和黏滞阻尼结构的反应值要比仅附加金属阻尼结构、仅附加黏滞阻尼结构的反应值都要小。附加黏滞阻尼结构的加速度反应值较小,而同时附加金属阻尼和黏滞阻尼结构的加速度反应值与之相差很小,这样可以多采用软钢阻尼器而减小黏滞阻尼器的使用量,就能够提高经济指标,同时附加金属阻尼和黏滞阻尼结构与仅附加黏滞阻尼结构相比有较好的经济性,与仅附加金属阻尼结构相比有更好的减震效果。
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