高層框架層間隔震及阻尼耗能結構的動力時程分析-張明超

各位老師，各位同學，

大家下午好！高層框架層間隔震及阻尼耗能結構的動力時程分析辯論人：張明超專業(yè)：結構工程導師：盛宏玉辯論時間：2021年4月23日第一章緒論第二章ANSYS軟件介紹及有限元模型的實現(xiàn)第三章層間隔震結構的構成及其有限元理論

第四章消能減震結構的理論分析

第五章層間隔震及消能減震結構的數(shù)值模擬分析

第六章結論與展望論文工作內容第一章緒論

1.1引言1.2有限元方法有限元法是20世紀中期提出的，是計算力學的主要方法之一，計算力學是計算機科學、計算數(shù)學與力學學科相結合的產(chǎn)物。將整體離散化為單元模型，通過對單元計算求解然后整合到整個結構模型可以應用于結構分析，機械分析，靜力分析，動力分析，熱分析等各個領域計算機的迅速開展為有限元法的研究提供了平臺1.4本文的主要工作內容本課題根據(jù)三維有限元理論對某12層框架結構用大型有限元通用軟件ANSYS進行動力時程分析，結構模型分為四類，分別是抗震結構，隔震結構，消能結構和隔震消能結構。隔震層設置于一層柱頂，消能支撐取為人字形支撐，分別沿橫向和縱向進行豎向布置，選取的地震波有唐山波，EL-Centro波和Taft波。課題的分析內容具體包括以下幾方面：〔1〕首先研究了抗震結構和隔震結構的剛度矩陣、質量矩陣和阻尼矩陣，然后利用哈密頓原理得到結構的整體剛度矩陣并建立結構的動力方程〔2〕在用ANSYS有限元建模中，選Beam188單元作為鋼筋混凝土梁柱的單元類型，能很好地描述鋼筋混凝土梁柱的受力性能，選用Shell63單元作為樓板的單元類型，選用combin14單元和combin40單元共同模擬隔震墊。建立四種結構模型，以便在這四種結構模型的計算分析中進行比較與分析?！?〕本文擬采用有限元理論中的子空間迭代法求解結構的自振特性；結構根本動力方程的求解擬采用Newmark-β法，獲得結構在地震波作用下的時間歷程響應。比較絕對位移，絕對加速度和層間位移這三個重要參數(shù)來分析比較層間隔震和阻尼耗能的隔震減震效果。對建立的四種結構模型進行分析比較。第二章ANSYS軟件介紹及有限元模型的實現(xiàn)

2.1ANSYS軟件的概述2.2ANSYS單元介紹梁單元殼單元隔震單元和消能單元2.1ANSYS軟件概述ANSYS通過GUI菜單操作或命令批處理操作方式進行結構分析，其有限元分析流程如下：〔1〕前處理。包括分析環(huán)境設置、定義單元以及材料類型、建立幾何模型、進行網(wǎng)格劃分、定義邊界及約束條件?！?〕施加荷載、設置求解參數(shù)并求解。包括定義荷載信息、制定分析類型和分析選項、執(zhí)行求解計算。其中，分析類型有靜力學分析，屈曲分析，模態(tài)分析，諧載荷響應分析，瞬態(tài)動力分析，子結構分析，譜分析等?！?〕后處理。包括進入后處理器并讀入計算結果、進行后處理操作、輸出后處理操作的結果。梁單元Beam188〔定義方向點〕2.2ANSYS單元介紹殼單元Shell63隔震支座單元Combin40和Combin14消能支撐單元Combin14單元Combin14模型單元Combin40模型Combin40的雙線性模型組合圖3.1隔震結構的根本構成3.2隔震裝置的設計理論3.3層間隔震結構的本構模型和動力方程第三章層間隔震結構的構成及其有限元理論3.1隔震結構的根本構成①表示在豎向方向支撐上部結構的裝置；②表示在水平方向支撐上部結構的裝置；③表示上部結構和下部結構發(fā)生相對位移時吸收能量的單元，隔震支座的結構特征形狀系數(shù)形狀系數(shù)橡膠支座理論的假定條件〔1〕微小變形理論〔2〕內部鋼板的全鋼化〔3〕非壓縮性材料〔4〕理論公式的修正3.2隔震裝置的設計理論3.3層間隔震結構的本構模型和動力方程

線彈性本構模型〔a〕非線性彈性關系〔b〕第四章消能減震結構的理論分析4.1耗能減震的概念和原理4.2消能減震結構的力學原理和性能4.3消能結構體系的結構動力方程的建立

4.1耗能減震的概念和原理消能支撐的形式耗能支撐的布置4.3消能結構體系的結構動力方程的建立一般結構的運動微分方程，，分別為結構的質量矩陣，阻尼矩陣和剛度矩陣消能減震結構的運動微分方程，分別為阻尼器附加給結構的阻尼矩陣和剛度矩陣4.3.2數(shù)值求解方法〔1〕線性加速度法：這種方法的根本假定是，質點的加速度反響在任一微小時段〔即積分時段〕Δt內的變化呈線性關系〔2〕威爾遜θ法〔Wilsion-θ法〕威爾遜θ法是線性加速度法的變形，兩者的區(qū)別在于，線性加速度法在時刻使用運動方程，而威爾遜θ法那么將運動方程應用于更后一點的時刻〔θ>1〕〔3〕Newmark方法ANSYS程序使用Newmark時間積分方法在離散的時間點上求解這些方程。Newmark時間積分方法是直接積分法中常見的一種。該方法是對連續(xù)變量時間t進行離散化，將動力反響的計算時域[0，T]劃分成有限個相等時間間距Δt的子域，得到有限個瞬時點0，Δt，2Δt，ti+Δt，…，T，然后針對這些特定瞬時點求解動力方程。Newmark-β法是一種無條件穩(wěn)定的隱式積分格式第五章層間隔震及消能減震結構的數(shù)值模擬分析5.1工程概況5.2模型參數(shù)設置5.3結構的模態(tài)分析和地震波的選取5.4結構的動力時程分析5.1工程概況本文算例是一個12層框架結構，其根本參數(shù)如下：X方向總長32.4米m，Y方向總長15.3m；共12層，1層層高4.5m，2～12層層高3.6m；1～4層柱取600×600mm，混凝土等級為C35，5～8層柱取600×600mm，混凝土等級為C30，9～12層柱取500×500mm，混凝土等級為C30；梁橫向取300×600mm，縱向取300×500mm，混凝土等級都為C25；板厚120mm，混凝土等級為C25。混凝土容重取2500kg/m3。消能支撐的布置位置圖5-3抗震結構三維有限元模型圖5-4隔震結構三維有限元模型圖5-5消能結構三維有限元模型圖5-6隔震消能結構三維有限元模型5.2模型的參數(shù)設置材料參數(shù)結構為丙類建筑類別，II類場地，設計分組為第一組，抗震設防烈度為7度，設計根本地震加速度為0.1g。消能支撐的軸向彈簧常數(shù)取為1.12e9N/m，阻尼系數(shù)取為1.02e7N*s/m隔震支座的型號選為GZY400-805.3結構的模態(tài)分析和地震波的選取

5.3.1結構的模態(tài)分析

本文對四種結構采用子空間迭代法分別進行模態(tài)分析，得到四種結構前100階的模態(tài)，然后進行模態(tài)分析。由于對結構起主要控制作用的是前面幾階模態(tài)，表5-3只列出模態(tài)的前12階模態(tài)?？拐鸾Y構的的第一自振周期為1.0278s，增加隔震層之后，第一自振周期延長為1.3355s，說明層間隔震結構具有足夠柔的水平剛度，可以有效的延長結構物的根本周期，結構的地震相應也隨之減小。在消能支撐結構中，由于在結構中增加了斜向支撐，使得結構的水平剛度增加，導致結構的自振周期反而有所減小。圖5-7四種模型自振周期比照表5-4振型參與相比照值表5-4為前12階振型參與系數(shù)的相比照值，從表中可以看出：在Y方向上，抗震結構，隔震結構和消能結構起主要控制作用的是第一階和第四階，而隔震消能結構起主要控制作用的是第一階和第五階，圖5-8，圖5-9，圖5-10，圖5-11分別是四種結構模型對結構起主要控制作用的主振型圖〔Y方向〕。由圖中模態(tài)形狀可知，其中，第1階主振型呈倒三角形分布，第4階主振型呈S形分布；對于隔震結構，在隔震層位置處出現(xiàn)位移突變，說明隔震層上部和隔震層下部之間會出現(xiàn)較大的相對位移，在設計過程中需要特別注意，需要將此相對位移控制在一定范圍之內。而通過對解的結果分析，確定第一階振型為橫向〔Y向〕運動，即結構在橫向〔Y向〕上為薄弱方向。因此，在進行動力時程分析時，應選擇橫向〔Y向〕輸入地震波。在后面進行動力時程分析得到的圖表，都是在橫向〔Y向〕地震波輸入情況下得到的。圖5-8抗震結構主振型圖5-9隔震結構主振型圖5-10消能結構主振型圖5-11隔震消能結構主振型5.3.2地震波的選取在地震動時程響應的分析中，地震烈度為7度常遇，根據(jù)?建筑抗震設計標準?，如表5-5所示，選定加速度峰值為35cm/s2。在實際地震波根底上，從初始時刻截取包括峰值在內的加速度時程曲線，其持續(xù)時間根據(jù)抗震標準條文說明，取為結構根本周期的5～10倍。根據(jù)模態(tài)分析，隔震結構根本周期為1.3355s，因此，地震波持續(xù)時間至少為6.7s。在動力時程分析中，不能只計算一條波的時程響應，所以本文中的地震波選用Taft波，唐山波、El-centro波三條波作為地震輸入波。其中，Taft波12s，時間步長0.02s；唐山波8s，時間步長0.01s；EL-Centro波12s，時間步長0.02s。5.4結構的動力時程分析從上圖中可以看出：1.在結構中設置隔震支座后，增加了結構的阻尼，與抗震結構相比，其振動響應會迅速衰減，隔震結構的絕對位移峰值先于抗震結構出現(xiàn)，而且其峰值明顯降低，以Taft波作用為例，抗震結構頂點的最大位移值為17.5mm，隔震結構的最大位移值為9.8mm，隔震效果到達了44%。2.由于消能結構吸收了地震動的能量，因此消能結構同樣降低了振動的響應，有效地降低了結構的響應，以Taft波作用為例，結構頂部最大絕對位移值由17.5mm降低到了8.0mm，效能減震效果到達了54.3%。3.比較隔震和消能結構與抗震結構的響應，比隔震或消能單獨作用下效果更加明顯，以Taft波作用為例，結構頂部最大絕對位移值由17.5mm降低到6.3mm，隔震消能效果到達了64%。4.由于隔震支座增大了結構的有效阻尼，有效地抑制了結構的地震響應，使得結構的加速度明顯降低，同時，由于消能支撐的設置，在地震作用下，有效地吸收了地震動的能量，使得傳給主體結構的能量大大減少，也很好地抑制了地震動的響應。Taft波作用下結構層間位移響應以Taft波為例，查看結構的層間位移響應和各層最大位移峰值。由頂層層間位移時程曲線可以看到，隔震結構，消能支撐結構，隔震與消能支撐聯(lián)合結構的層間位移均小于抗震結構的層間位移。其中，隔震消能結構的層間位移響應最小。從整體上來看，在各層絕對位移峰值的比較中，隔震結構，消能支撐結構，隔震與消能支撐聯(lián)合結構的最大絕對位移均小于抗震結構的最大絕對位移，隔震與消能支撐聯(lián)合結構的各層最大絕對位移值最小。隔震結構由于在一層柱頂設置隔震支座，在結構一層出現(xiàn)較大的層間位移，這主要是由于隔震支座發(fā)生相對錯動產(chǎn)生的，在隔震層以上各個樓層，結構的最大絕對位移開始出現(xiàn)平穩(wěn)變化，而消能支撐結構在各個樓層均變化平穩(wěn)。第六章結論與展望

1.采用大型通用軟件ANSYS中梁、殼單元建立結構的三維有限元模型，能夠很好地模擬空間抗震結構在地震作用下的位移，加速度等響應，使得計算結果更能符合實際結構的受力和變形等特點。2.本文對某12層框架結構通過用GUI操作和命令流操作建立四種不同的結構模型，并進行計算分析。分析結果說明，在結構底部設置隔震層，能很好的起到減弱地震作用對上部結構的影響，特別是頂層的絕對位移將大大減??；在結構的橫向和縱向施加消能支撐桿件，能有效地吸收地震作用傳給結構的能量，降低結構的位移，加速度等響應，能很好的保護結構主體框架。3.由于模型的單元數(shù)目龐大，結構的模態(tài)數(shù)也成千上萬，根據(jù)各階模態(tài)的參與系數(shù)等振型特點，能夠找出在X和Y兩個主方向上對結構起控制作用的模態(tài)，而其他模態(tài)可以忽略，為動力時程分析提供有效的求解數(shù)據(jù)。通過模態(tài)分析計算可知，層間隔震增大了結構水平方向的阻尼，可以有效的延長結構物的根本周期，結構的地震響應也隨之減??；在消能支撐結構中，由于在結構中增加了人字形支撐，使得結構的水平剛度增加，導致結構的自振周期反而有所減小，這對結構顯然是不利的，但在后面的動力時程分析中說明：由于在地震反響中，消能支撐桿件吸收了地震能量，降低了結構在地震作用時的位移，加速度等，從而對結構主體構件起了很好的保護作用。4.層間隔震和阻尼耗能減震對結構的減震效果都比較明顯，特別是在高層結構以及加固設計中用途更加廣泛，將層間隔震和阻尼耗能減震綜合起來用到同一個建筑結構中，能夠更有效的減小地震對結構的響應，有著廣闊的開展前景。6.2展望

由于時間和能力有限，本文對研究的內容做了諸多假設，如直接在樓板和柱頂之間設置隔震支座