結構消能減震和隔震技術的應用

結構消能減震和隔震技術的應用

0消能震動和隔震器地震是一種突然的、破壞力很強的自然災害，將造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，同時給建筑物造成巨大的破壞。如何有效防止地震風險下建筑物的破壞是結構設計中非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的抗震方法設計人員往往把重點放在結構本身的強度和剛度上,確保結構自身的抗力性能滿足抗震的設計標準。但大量事實表明,一旦遇到強烈的地震作用,結構本身造成破壞的嚴重程度是人們難以預料和想象的。為了保證結構具有更良好的抗震性能,消能減震和隔震技術迅速發(fā)展壯大起來。在工程結構中布置消能減震和隔震器以耗散地震輸入結構的能量,是減輕工程結構在地震中的反應,減輕地震破壞的一種新技術和新方法,已經(jīng)廣泛應用于各種多高層建筑結構的抗震設計和加固中。尤其在地震頻發(fā)的高烈度地區(qū)應用頗為廣泛。1隔震設計目的和目結構消能減震和隔震體系,主要是在結構的某些部位(上部結構與基礎之間的連接點,層間空間等)裝設阻尼器(鉛芯橡膠支座、分層橡膠支座、滑動摩擦型支座等)或者將結構的某些非承重構件(如支撐、連接件等)設置成消能桿件,這些消能裝置或者消能桿件有一定的初始剛度。在風荷載或者小震作用下,可以使結構具有足夠的側向剛度以滿足規(guī)范要求的使用要求。當出現(xiàn)多遇地震或者罕遇地震時,這些消能構件或裝置首先進入消能狀態(tài),而其消耗的能量可以達到結構地震能量的90%,保證主體結構的主要承重構件在強震作用下依然發(fā)揮作用免于破壞。本文中隔震設計指的是房屋基礎、底部或下部結構與上部結構之間設置由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成具有整體復位功能的隔震層,以延長整個結構體系的自振周期,減少輸入上部結構的水平地震作用,達到預期防震的要求。消能減震設計則指的是在房屋結構中設置消能器,通過消能器的相對變形和相對速度提供附加阻尼,以消耗輸入結構的地震能量,達到預期防震減震要求。2其他單元和阻尼器單元目前常用的消能阻尼器主要分為遲滯型和粘滯型兩大類,遲滯型阻尼器與速度無關,有摩擦型阻尼器、金屬屈服型阻尼器以及其他各種鉛阻尼器等;粘滯型阻尼器的性能受溫度和加載速度的影響,有粘彈性材料阻尼器,油阻尼器等。midasGen軟件提供了目前結構設計中經(jīng)常使用的幾種隔震器和阻尼器單元。包括鉛芯橡膠支承隔震裝置(LeadRubberBearingIsolator)、粘彈性阻尼器(ViscoelasticDamper)、間隙(Gap)、鉤(Hook)、滯后系統(tǒng)(HystereticSystem)、摩擦擺隔震裝置(FrictionPendulumSystemIsolator)等六種類型的非線性連接單元。2.1鉛芯橡膠支柱滯回特性分析隔震裝置是通過將結構與地震的震動分隔以達到保護結構的目的,一般設計在橋墩和上部結構之間。在眾多的耗能阻尼器中,鉛芯橡膠阻尼器由于性能穩(wěn)定,不受環(huán)境條件(溫度、濕度)干擾,能大量生產(chǎn)等優(yōu)點其在隔震裝置中表現(xiàn)突出。鉛芯橡膠支座利用鉛屈服后強度較低的特性通過調(diào)整結構的固有頻率使其避免與地震動頻率相同或接近達到隔震目的,并通過滯回特性耗散地震動能量。鉛芯橡膠支座由六個彈簧構成,其中兩個剪切成分互相關聯(lián)且具有雙軸彈塑性特性,其余軸向、扭轉兩個方向的彎曲成分均為線性且相互獨立。鉛芯橡膠支座隔震裝置的兩個剪切成分力與變形的關系如下:式中:ky、kz為單元坐標系數(shù)y、z方向剪切成分的初始剛度;Fy,y、Fy,z為單元坐標系數(shù)y、z方向剪切成分的屈服剛度;ry、rz為單元坐標系數(shù)y、z方向剪切成分的屈服后強度折減率;dy、dz為單元坐標系數(shù)y、z方向剪切成分的兩節(jié)點之間的變形;zy、zz為單元坐標系數(shù)y、z方向剪切成分的滯回特性內(nèi)部參數(shù)。作為反映滯后效應的內(nèi)部參數(shù),是由Park,Wen,及Ang(1986)等在Wen(1976)的單軸塑性模型的基礎上所發(fā)展的雙軸塑性(BiaxialPlasticity)模型來定義的。2.2粘彈性消能器模型粘彈性消能器同時擁有粘性(與變形速度成比例而產(chǎn)生的力)和彈性(與變形成比例而產(chǎn)生的力)。主要用于增大結構的消能能力,減小由地震、風等引起的動力反應,從而提高結構的安全性和適用性。具有代表性的粘彈性消能器的數(shù)學模型有線性彈簧和粘性阻尼串聯(lián)而成Maxwell模型和并聯(lián)而成的Kelvin模型。MIDAS可通過輸入相應的參數(shù)建立擁有粘彈性阻尼器和彈簧兩種模型形式的連接構件剛度的模型。粘彈性消能器的概念圖如圖1所示,是由線性彈簧和粘性阻尼并聯(lián)而成的Kelvin模型和具有線性彈性的連接構件來連接兩節(jié)點的。另外,當不存在連接構件或連接構件的剛度比消能裝置的剛度大得很多時,可將該連接構件按剛體輸入。2.3間隙單元內(nèi)部剛度的影響間隙與其他邊界單元相同,是由6個彈簧構成的(圖2)。在單元坐標系的6個自由度上N1和N2兩個節(jié)點間縮小的相對位移的絕對值超過了間隙單元內(nèi)部的初始間隙時,該方向的剛度就將開始發(fā)生作用。只使用軸方向彈簧時,即成為只受壓單元。只受壓單元主要應用于類似基礎與地面相接觸問題的建模。2.4間隙單元內(nèi)部剛度的影響鉤也與其他邊界單元相同,是由6個彈簧構成的(圖3)。在單元坐標系的6個自由度上N1和N2兩個節(jié)點間增大的相對位移的絕對值超過了間隙單元內(nèi)部的初始間隙時,該方向的剛度就將開始發(fā)生作用。只使用軸方向彈簧時,即成為只受拉單元。只受拉單元主要應用于建立橫向支撐或鉤單元等的建模。2.5金屬屈服型消能器模型滯后系統(tǒng)是由擁有單軸塑性(UniaxialPlasticity)特性的6個獨立的彈簧構成的(圖4)。該系統(tǒng)用于建立利用滯后效應達到消能目的的消能裝置(EnergyDissipationDevice)的模型,例如對金屬屈服型消能器(MetallicYieldDamper)的建模。金屬屈服型消能器具有比主體結構(PrimaryStructure)相對大一些的剛度和小的屈服強度。因此會比周圍其他的構件率先發(fā)生塑性變形,從而起到保護主體結構的目的。2.6擺隔震裝置的剛度調(diào)整摩擦擺隔震裝置的使用目的與鉛芯橡皮支撐隔震裝置相同,是通過改變固有振動頻率和滯后效應的能量消散功能使結構免受地震的影響。不同點在于摩擦擺隔震裝置是通過摩擦面的曲率使擺產(chǎn)生回復力,并可通過調(diào)整該曲率半徑使整個結構的固有振動頻率改變?yōu)槿我庵?。摩擦擺隔震裝置(FrictionPendulumSystemIsolator)中的兩個剪切彈性支承具有二軸塑性(BiaxialPlasticity)相關特性,軸向初始間隙為零的間隙彈性支撐,其余三個旋轉自由度具有線性彈性特性(圖5)。3非線性非線性能量分析cordiccompositionistration3.1非線性內(nèi)力分析邊界非線性動力分析主要應用于對擁有減震或隔震裝置的結構進行分析。在邊界非線性動力分析,整個結構將被分為線性體系和非線性體系。在非線性體系所發(fā)生的非線性內(nèi)力會以外部的動力荷載形式施加于線性體系后,再進行分析。其中線性體系由線性彈性構件和非線性連接單元的線性彈簧構成,而非線性體系則只由非線性連接單元的線性彈簧構成。在非線性體系所發(fā)生的非線性內(nèi)力會以外部的動力荷載形式施加于線性體系后,再進行分析。此時根據(jù)構成非線性體系的非線性連接單元的連接位置的不同,只靠線性體系結構有可能成為非靜定結構。因此需利用有效剛度使結構成為靜定結構后再進行模態(tài)分析。3.2動力時程分析對于設置阻尼器和隔震器等非線性連接單元的結構,采用midasGen軟件可以考慮單元中的非線性屬性,進行動力時程分析,并與未加隔震消能裝置的分析結果進行對比,包括結構層剪力、層位移及單元的滯回曲線。3.2.1加隔震裝置的周期特性分析用midasGen建立如圖6所示模型,在結構底部加鉛芯橡膠支承隔震裝置,模型基本數(shù)據(jù)如下:梁:250mm×600mm,柱:600mm×600mm,層高:一~五層:3.0m,設防烈度:7度。分析結構在地震作用下加隔震裝置前后的周期,位移等結果的變化。(1)周期對比結果如表1所示。能看出加了隔震支座的結構周期明顯比不加隔震支座要大一些,周期增大了67%左右。(2)剪力最大值對比結果如圖7,8所示,不難看出不加隔震支座的結構,其剪力最大值與層高增長呈反比。底部剪力最大值接近1150kN,而加隔震支座的結構底部剪力達到最大值時也只有900kN,減小了21%左右。整體所受剪力最大值有減小的趨勢,同時在第三層有一個突變的過程,不再像以前呈規(guī)律的反比關系了。如圖9,10所示,不難看出加隔震支座相比不加隔震支座來說,結構每個樓層的剪力變化要平緩許多。3.2.2加減速裝置結果分析用midasGen建立如圖11所示模型,在結構中間加粘彈性消能器,模型基本情況:二維框架,只考慮XZ平面內(nèi)自由度的時程分析,層高3m,總層數(shù)為十層,材料為鋼材Q345,分析結構在地震作用下加減震裝置前后的周期、位移等結果的變化。(1)位移對比結果如圖12所示,圖12(a)是不加減震裝置的結構,圖12(b)是加了減震裝置的結構,可以很直觀地看出加了減震裝置的結構其位移有了明顯的減小,比不加減震裝置的結構減小了60%。